Сообщение тепловые двигатели как инновация

Обновлено: 03.07.2024

В это время Дени Папен (французский изобретатель) сконструировал машину, в общих чертах напоминавшую нынешние двигатели внутреннего сгорания. Его современник, английский изобретатель с именем Томас Севери создал паровой насос для того, чтобы откачивать воду. Другой английский изобретатель, по имени Томас Ньюкомен, также сконструировал паровую машину, способную откачивать воду, но в его разработках, хотя и очень умелых, явно перекликались идеи двух предыдущих изобретателей. Работая, в свою очередь, над усовершенствованием технологии Ньюкомена, Джеймс Уатт разработал новую модель двигателя. Универсальный паровой двигатель же был сконструирован спустя примерно 50 лет Иваном Ползуновым, гениальным русским изобретателем.

Какие существуют тепловые двигатели

Паровая машина – является одним из двигателей внешнего сгорания. Она преобразует энергию, которая вырабатывается с помощью пара, в механическую работу.
Двигатель внутреннего сгорания – в данном случае химическая энергия вырабатывается из топлива. Затем она становится механической работой.
Газовая турбина - является одним из двигателей непрерывного действия. Его механизм таков: он преобразует энергию нагретого сжатого газа. Она также становится механической работой.
Паровая турбина – это по сути, серия дисков, которые вращаются и которые закрепляются на одной оси и несколько неподвижных дисков, которые закрепляются на основании, называющемся статором.

Реактивный двигатель – преобразует одну энергию в другую (исходную в кинетическую энергию струи рабочего тела), тем самым создавая нужную силу тяги. Подразделяются такие двигатели на два подвида: Один подвид – воздушно - реактивное. Второй подвид – ракетные двигатели.

Вариант №2

В давние времена люди пытались использовать энергию топлива и это все для того чтобы вырабатывалась механическая энергия. А спустя некоторое время появились первые тепловые двигатели. Постепенно его преобразовывали и пытались сделать что-то новое. При помощи такого двигателя сначала получается газ, а потом и пар. Сначала они проходят и проделывают очень много работы, а потом происходит процесс охлаждения.

Немного попозже люди научились вырабатывать энергию. И делали они это при помощи разных способов. И это были ветровые мельницы.
Если рассматривать тепловые двигатели, то к ним можно отнести не только паровую машину, но еще и двигатель внутреннего сгорания, а также паровую или газовую турбину. Данные тепловые двигатели обычно заправляются при помощи жидкого или твердого топлива, а также при помощи солнечной или атомной энергии.

На сегодняшний день существует огромное количество разных автомобилей. И они работают обычно на тепловом двигателе. Кроме этого они работают на жидком топливе. Двигатель может выдержать всего четыре года. Также на двигателе имеется четыре такта. Именно поэтому он и называется четырехтактным. А вот для того чтобы увеличить мощность двигателя нужно поставить туда либо четыре цилиндра, а в некоторых случаях устанавливается восемь цилиндров. А вот более мощные двигатели обычно устанавливаются либо на теплоходах или тепловозах.
Кроме этого на сегодняшний день активно применяются и тепловые двигатели. Обычно туда заливается пар или газ, а потом нагревается до высокой температуры. Потом газ начинает вращаться, и при этом здесь совсем не нужен поршень. Также здесь совсем не нужен ни шатун, ни коленчатый вал.

А вот для того чтобы увеличить мощность требуется всего лишь специальные диски. И каждый из них должен был прикреплен к общему валу. Обычно данные турбины можно применять на тепловых электростанциях или на кораблях.

Также к тепловым двигателям относятся воздушно-реактивный двигатель. Он работает при помощи окисления горючего вещества, и потом он превращается в кислород. Они бывают бескомпрессорными (двигатель, который работает без помощи каких-либо компрессоров) и компрессорными (они работают при помощи газовой турбины или поршня).

Кроме этого установлено и отрицательное влияние тепловой машины на окружающую среду и в этом воздействуют некоторые факторы. Когда топливо сжигается, то выделяется кислород, а это значит, что в окружающей среде кислород наоборот уменьшается. Также когда топливо сжигается, то атмосфера загрязняется.

И нужно обязательно сказать о том, что в атмосферу выделяется огромное количество азота, а также серы. А ведь это все очень пагубно влияют на человека.

Также вредные вещества выбрасывает и автомобиль. А вот для того чтобы этого не происходило можно заменить бензиновый двигатель на обычное топливо. Самое главное чтобы в топливо не добавлялся свинец.

Имеются еще и паросиловые станции. Работают они при помощи пара. Обычно это паровой пар. Конечно, имеются еще и другие машины, которые работают при помощи ртути.

8, 10 класс окружающий мир

Тепловые двигатели

Поскольку территория России огромна и на всей ее протяженности постоянно возникают всевозможные катаклизмы природного и техногенного характеров, горят леса, разливаются реки, гибнут люди, все это требует принятия и предотвращения определенной

Эрнест Сетон - Томпсон (урожденный Эрнест Эван Томпсон) - известный канадский и американский писатель- анималист, художник и по совместительству один из основателей скаутского движения.

Планета Сириус является самой большой планетой созвездия Большого пса. Название в переводе с греческого языка означает – яркий, блестящий. Планету Сириус очень легко найти через созвездие Ориона.

Тепловой двигатель — это устройство, преобразующее внутреннюю энергию топлива в механическую энергию.

Согласно механическую работу за счет охлаждения окружающих тел, если он не только получает теплоту от более горячего тела (нагревателя), но при этом отдает теплоту менее нагретому телу (холодильнику). Следовательно, на совершение работы идет не все количество теплоты, полученное от нагревателя, а только часть ее.

Таким образом, основными элементами любого теплового двигателя являются:

1) рабочее тело (газ или пар), совершающее работу;

2) нагреватель, сообщающий энергию рабочему телу;

3) холодильник, поглощающий часть энергии от рабочего тела.

Тепловые двигатели: принцип действия, устройство, схема

Рассмотрим тепловые двигатели, принцип действия этих механизмов. В земной коре и мировом океане запасы внутренней энергии можно считать неограниченными. Для того чтобы решать практические задачи, ее явно недостаточно. Устройство и принцип действия теплового двигателя необходимо знать для того, чтобы приводить в движение токарные станки, транспортные средства. Человек нуждается в таких устройствах, которые могут совершать полезную работу.

Тепловые двигатели, принцип действия которых мы рассмотрим, являются основными на нашей планете. Именно в них происходит превращение внутренней энергии в механический вид.

Особенности теплового двигателя

Каков принцип действия теплового двигателя? Кратко его можно представить на простом опыте. Если в пробирку налить воду, закрыть пробкой, довести до кипения, она вылетит. Причина выскакивания пробки заключается в совершении паром внутренней работы. Процесс сопровождается превращением внутренней энергии пара в кинетическую величину для пробки. Тепловые двигатели, принцип действия которых аналогичен описанному эксперименту, отличаются строением. Вместо пробирки используется металлический цилиндр. Пробка заменена поршнем, плотно прилегающим к стенкам, перемещающимся вдоль цилиндра.

Алгоритм действия

Тепловыми машинами называют механизмы, где наблюдается превращение внутренней энергии топлива в механический вид.

Для совершения двигателем полезной работы, должна быть создана разность давлений с обеих сторон поршня либо лопастей мощной турбины. Для достижения такой разности давлений происходит повышение температуры рабочего тела на тысячи градусов в сравнении с ее средним показателем в окружающей среде. Происходит подобное повышение температуры в процессе сгорания топлива.

Изменения температур

У всех современных тепловых машин выделяют рабочее тело. Им принято называть газ, совершающий в процессе расширения полезную работу. Начальную температуру, обозначаемую Т1, он приобретает в паровом котле машины или турбины. Называют этот показатель температурой нагревателя. В процессе совершения работы происходит постепенная потеря газом энергии. Это приводит к неизбежному охлаждению рабочего тела до некоторого показателя Т2. Значение температуры должно быть ниже показателя окружающей среды, иначе давление газа будет иметь меньший показатель, чем атмосферное давление, и работа двигателем не будет совершена.

Показатель Т2 называют температурой холодильника. В его качестве выступает атмосфера либо специальное устройство, необходимое для конденсации и охлаждения отработанного пара.

Некоторые факты

Итак, тепловые двигатели, принцип действия которых основывается на расширении рабочего тела, не способны отдавать для совершения работы всю внутреннюю энергию. В любом случае часть тепла будет передаваться атмосфере (холодильнику) вместе с отработанным паром либо выхлопными газами турбин или двигателей внутреннего сгорания.

КПД тепловых машин

Каков принцип действия тепловой машины? КПД теплового двигателя зависит от величины полезной работы, совершаемой газом. С учетом того, что невозможно полностью превратить внутреннюю энергию в работу теплового двигателя, можно объяснить необратимость природных процессов и явлений. В том случае, если бы наблюдалось самопроизвольное возвращение теплоты к нагревателю от холодильника, внутренняя энергия в полном объеме превращалась бы в полезную работу посредством теплового двигателя.

Коэффициентом полезного действия называют отношение полезной работы, совершаемой тепловым двигателем, к тому количеству тепла, которое передано холодильнику. В физике принято выражать данную величину в процентах. Таков принцип действия теплового двигателя. Схема его понятна и проста, доступна даже ученикам средней школы. Законы термодинамики дают возможность проводить вычисления максимального значения коэффициента полезного действия.

Изобретение тепловой машины

Первым изобретателем машины, использующей тепло, стал Сади Карно. Он разработал идеальную машину, в которой рабочим телом выступал идеальный газ. Кроме того, ученому удалось определить показатель КПД для такого устройства, используя значения температуры холодильника и нагревателя.

Карно удалось определить зависимость между реальной тепловой машиной, функционирующей на основе нагревателя, и холодильником, в качестве которого выступает воздух или конденсатор. Благодаря математической формуле, предложенной Карно для его первой идеальной тепловой машины, определяется максимальное значение КПД. Между температурой нагревателя и холодильника существует прямая связь.

Для того чтобы машина полноценно функционировала, значение температуры не должно быть меньше ее показателя в окружающем воздухе. При желании можно повышать температуру нагревателя, не забывая о том, что у каждого твердого тела есть определенная жаропрочность. По мере нагревания оно теряет свою упругость, а при достижении температуры плавления просто плавится.

Благодаря инновациям, которые достигнуты в современной инженерной промышленности, происходит постепенное повышение КПД теплового двигателя. Например, снижается трение между его отдельными частями, устраняются потери, возникающие из-за неполного сгорания топлива.

Двигатель внутреннего сгорания

Он представляет собой тепловую машину, где в виде рабочего тела применяют высокотемпературные газы, получаемые в процессе сгорания разного вида топлива внутри камеры. Выделяют четыре такта в работе автомобильного двигателя. Среди составных его частей назовем впускной и выпускной клапаны, камеру сгорания, поршень, цилиндр, свечу, шатун, а также маховик.

Принципы действия тепловых машин

КПД тепловых машин

Коэффициентом полезного действия называют отношение полезной работы, совершаемой тепловым двигателем, к тому количеству тепла, которое передано холодильнику. В физике принято выражать данную величину в процентах. Таков принцип действия теплового двигателя. Законы термодинамики дают возможность проводить вычисления максимального значения коэффициента полезного действия.

Как работают тепловые двигатели

Функция тепловых двигателей – преобразование тепловой энергии в полезную механическую работу. Рабочим телом в таких установках служит газ. Он с усилием давит на лопатки турбины или на поршень, приводя их в движение. Самые простые примеры тепловых двигателей – это паровые машины, а также карбюраторные и дизельные двигатели внутреннего сгорания.

Инструкция

Поршневые тепловые двигатели имеют в своем составе один или несколько цилиндров, внутри которых находится поршень. В объеме цилиндра происходит расширение горячего газа. При этом поршень под воздействием газа перемещается и совершает механическую работу. Такой тепловой двигатель преобразует возвратно-поступательное движение поршневой системы во вращение вала. Для этой цели двигатель оснащается кривошипно-шатунным механизмом.
К тепловым двигателям внешнего сгорания относятся паровые машины, в которых рабочее тело разогревается в момент сжигания топлива за пределами двигателя. Нагретый газ или пар под сильным давлением и при высокой температуре подается в цилиндр. Поршень при этом перемещается, а газ постепенно охлаждается, после чего давление в системе становится почти равным атмосферному.
Отработавший свое газ выводится из цилиндра, в который немедленно подается очередная порция. Для возврата поршня в начальное положение применяют маховики, которые крепят на вал кривошипа. Подобные тепловые двигатели могут обеспечивать одинарное или двойное действие. В двигателях с двойным действием на один оборот вала приходится две стадии рабочего хода поршня, в установках одинарного действия поршень совершает за то же время один ход.
Отличие двигателей внутреннего сгорания от описанных выше систем состоит в том, что горячий газ здесь получается при сжигании топливно-воздушной смеси непосредственно в цилиндре, а не вне его. Подвод очередной порции горючего и выведение отработанных газов производится через систему клапанов. Они позволяют подавать горючее в строго ограниченном количестве и в нужное время.
Источник тепла в двигателях внутреннего сгорания – химическая энергия топливной смеси. Для данного типа теплового двигателя не нужен котел или нагреватель внешнего типа. В качестве рабочего тела здесь выступают самые разные горючие вещества, из которых самым распространенным являются бензин или дизельное топливо. К недостаткам двигателей внутреннего сгорания можно отнести их высокую чувствительность к качеству топливной смеси.
Двигатели внутреннего сгорания по своей конструкции могут быть двух- и четырехтактными. Устройства первого вида проще в конструкции и не так массивны, но при одинаковой мощности требуют значительно больше топлива, чем четырехтактные. Двигатели, работа которых построена на двух тактах, чаще всего применяют в небольших мотоциклах или газонокосилках. Более серьезные машины оснащают тепловыми двигателями четырехтактного типа.

Видео по теме

Как устроены и как работают тепловые двигатели

Наша сегодняшняя встреча посвящена тепловым двигателям. Именно они приводят в движение большинство видов транспорта, позволяют получать электроэнергию, несущую нам тепло, свет и комфорт. Как устроены и каков принцип действия тепловых машин?

Понятие и виды тепловых двигателей

Тепловые двигатели — устройства, обеспечивающие превращение химической энергии топлива в механическую работу.

Осуществляется это следующим образом: расширяющийся газ давит либо на поршень, вызывая его перемещение, либо на лопасти турбины, сообщая ей вращение.

Взаимодействие газа (пара) с поршнем имеет место в паровых машинах, карбюраторных и дизельных двигателях (ДВС).

Примером действия газа, создающим вращение является работа авиационных турбореактивный двигателей.

Структурная схема работы теплового двигателя

Несмотря на отличия в их конструкции, все тепловые машины имеют нагреватель, рабочее вещество (газ или пар) и холодильник.

В нагревателе происходит сгорание топлива, в результате чего выделяется количество теплоты Q1, а сам нагреватель при этом нагревается до температуры T1. Рабочее вещество, расширяясь, совершает работу A.

Но теплота Q1 не может полностью превратится в работу. Определенная ее часть Q2 через теплопередачу от нагревшегося корпуса, выделяется в окружающую среду, условно называемую холодильником с температурой T2.

Идея создания аналога теплового двигателя зародилась ещё давным-давно. Чего стоит легенда об Архимеде, якобы построившем пушку, которая делала выстрелы при помощи пара. Однако, согласно официальной версии, изобретение первого теплового двигателя случилось в 17 веке, а впоследствии он был усовершенствован.
В это время Дени Папен (французский изобретатель) сконструировал машину, в общих чертах напоминавшую нынешние двигатели внутреннего сгорания. Его современник, английский изобретатель с именем Томас Севери создал паровой насос для того, чтобы откачивать воду. Другой английский изобретатель, по имени Томас Ньюкомен, также сконструировал паровую машину, способную откачивать воду, но в его разработках, хотя и очень умелых, явно перекликались идеи двух предыдущих изобретателей. Работая, в свою очередь, над усовершенствованием технологии Ньюкомена, Джеймс Уатт разработал новую модель двигателя. Универсальный паровой двигатель же был сконструирован спустя примерно 50 лет Иваном Ползуновым, гениальным русским изобретателем.

Какие существуют тепловые двигатели

Паровая машина – является одним из двигателей внешнего сгорания. Она преобразует энергию, которая вырабатывается с помощью пара, в механическую работу.
Двигатель внутреннего сгорания – в данном случае химическая энергия вырабатывается из топлива. Затем она становится механической работой.
Газовая турбина — является одним из двигателей непрерывного действия. Его механизм таков: он преобразует энергию нагретого сжатого газа. Она также становится механической работой.
Паровая турбина – это по сути, серия дисков, которые вращаются и которые закрепляются на одной оси и несколько неподвижных дисков, которые закрепляются на основании, называющемся статором.

Реактивный двигатель – преобразует одну энергию в другую (исходную в кинетическую энергию струи рабочего тела), тем самым создавая нужную силу тяги. Подразделяются такие двигатели на два подвида: Один подвид – воздушно — реактивное. Второй подвид – ракетные двигатели.

Вариант №2

Немного попозже люди научились вырабатывать энергию. И делали они это при помощи разных способов. И это были ветровые мельницы. Если рассматривать тепловые двигатели, то к ним можно отнести не только паровую машину, но еще и двигатель внутреннего сгорания, а также паровую или газовую турбину. Данные тепловые двигатели обычно заправляются при помощи жидкого или твердого топлива, а также при помощи солнечной или атомной энергии.

На сегодняшний день существует огромное количество разных автомобилей. И они работают обычно на тепловом двигателе. Кроме этого они работают на жидком топливе. Двигатель может выдержать всего четыре года. Также на двигателе имеется четыре такта. Именно поэтому он и называется четырехтактным. А вот для того чтобы увеличить мощность двигателя нужно поставить туда либо четыре цилиндра, а в некоторых случаях устанавливается восемь цилиндров. А вот более мощные двигатели обычно устанавливаются либо на теплоходах или тепловозах. Кроме этого на сегодняшний день активно применяются и тепловые двигатели. Обычно туда заливается пар или газ, а потом нагревается до высокой температуры. Потом газ начинает вращаться, и при этом здесь совсем не нужен поршень. Также здесь совсем не нужен ни шатун, ни коленчатый вал.

8, 10 класс окружающий мир

Двигатель внутреннего сгорания

Двигатель внутреннего сгорания, тепловой двигатель, в котором химическая энергия сжигания топлива в рабочей камере преобразуется в механическую работу.

Первый практически полезный постоянный ток газа был построен французским механиком Э. Ленуаром (1860). В 1876 году немецкий изобретатель Н. Отто построил более совершенный 4-тактный газовый D.V.s. По сравнению с паровым двигателем D.V.s. он принципиально проще, так как исключается одно звено в процессе преобразования энергии — паровая котельная установка. Это улучшение привело к большей компактности D.V.S., меньшей массе на привод и более высокому КПД, но при этом потребовало более качественного топлива (газа, масла).

В зависимости от вида топлива Д. В. С. делятся на жидкотопливные и газовые двигатели. По способу заполнения цилиндра свежим зарядом — для 4-х и 2-х тактных двигателей. По способу приготовления горючей смеси топлива и воздуха — для двигателей с наружной и внутренней смесью. Двигатели с внешней смесью включают в себя карбюраторные двигатели, в которых в карбюраторе образуется горючая смесь жидкого топлива и воздуха, и газовые смеси, в которых в смесителе образуется горючая смесь газа и воздуха. В ДВС с внешним перемешиванием рабочая смесь в цилиндре воспламеняется электрической искрой. В двигателях с внутренним перемешиванием (дизельные двигатели) топливо саморазжигается при впрыске в сжатый воздух, нагретый до высокой температуры.

Максимальная эффективная эффективность самого передового Ц.К.Е. составляет около 44%.

Основным преимуществом Д.В.С., как и других тепловых двигателей (например, реактивных), перед гидравлическими и электрическими двигателями, является независимость от постоянных источников энергии (водных ресурсов, электростанций и т.д.), в этом контексте заводы, оборудованные Д.В.С., могут свободно передвигаться и оседать где угодно. Это привело к широкому применению Д.В.С. на транспортных средствах (автомобилях, сельскохозяйственных и дорожно-строительных машинах, самоходной военной технике и т.д.).

Любимый вид спорта
Моим любимым видом спорта всегда было плавание. С детства я обожал плавать в море, рассекая водную гладь и глубоко ныряя, пытаясь достичь дна. Этот вид спорта мне очень нравится тем, что он дарит множество положительных эмоций.
Июньский жук (описание, виды, где обитают)
Среди множества видов насекомых, обитающих на нашей планете, всем известны жуки. Это очень многочисленный отряд, от других он отличается тем, что у жуков две пары крыльев, одна из которых прозрачная и тонкая,
Кольчатые черви
Кольчатые черви являются организмами, у которых нет позвоночника. Обычно они находятся в пресных и соленых водоемах, а также в почве. Размеры червей могут быть от нескольких миллиметров до шести метров. У каждого червя на теле имеется несколько колец.

Принципиальное устройство теплового двигателя

В природе мы часто можем наблюдать процессы перехода механической энергии в тепловую энергию, например, трение тел друг о друга в процессе их относительного движения вызывает их нагрев.
Используя тепловой двигатель можно провести обратный процесс: преобразовать теплоту в механическую работу. В тепловом двигателе нагреваемый пар расширяясь, давит на поршень и производит работу.

Любой тепловой двигатель имеет три части:

нагреватель;
холодильник;
рабочее тело, это пар или газ, находящийся в емкости с поршнем, который может расширяться и сжиматься.

При конструировании теплового двигателя задача заключается в том, чтобы создать такие условия, при которых газ будет попеременно соприкасаться с нагревателем и холодильником.

Контактируя с нагревателем, рабочее тело нагревается, расширяется и совершает работу.
Соприкасаясь с холодильником газ сжимается, поршень уходит в первоначальное положения, работа совершается над рабочим телом.
Цикл может начинаться сначала.

Готовые работы на аналогичную тему

Курсовая работа Тепловые двигатели и охрана окружающей среды 480 руб.
Реферат Тепловые двигатели и охрана окружающей среды 280 руб.
Контрольная работа Тепловые двигатели и охрана окружающей среды 190 руб.

Получить выполненную работу или консультацию специалиста по вашему учебному проекту Узнать стоимость
В описанном цикле механическая работа получается в результате теплоотдачи нагревателя.

Нагреватель получает теплоту за счет сжигания топлива разного вида:

каменного угля;
бензина;
природного газа.

Сжигание топлива можно производить вне цилиндра, в котором происходит расширение рабочего тела (газа), такой двигатель называют двигателем внешнего сгорания. Примером двигателей внешнего сгорания могут быть:

Двигатели, у которых сжигание топлива происходит внутри камеры сгорания, называют двигателями внутреннего сгорания. Примерами двигателей внутреннего сгорания могут быть:

бензиновый двигатель;
дизель;
реактивный двигатель.

Тепловой двигатель не может работать без потерь, то есть он не может переводить в механическую работу все тепло, которое подводится ему извне.

Эффективность работы теплового двигателя определяют при помощи коэффициента полезного действия:

где $A$ — работа в одном цикле; $Q_1$ — количество теплоты, получаемое рабочим телом от нагревателя; $Q_2$ — количество теплоты, отданное системой холодильнику.

Нужна консультация преподавателя в этой предметной области? Задай вопрос преподавателю и получи ответ через 15 минут! Задать вопрос

Выражение (1) показывает, что тепловой двигатель будет тем эффективнее, чем меньше количество теплоты уходит из системы (не используется).

Теплопередача должна проходить в системе так, чтобы:

вся теплота, полученная от нагревателя, по возможности шла на выполнение работы;
рабочее тело могло выполнять работу, то есть газ, увеличивая свой объем мог двигать поршень.

Тепловые двигатели. Виды тепловых двигателей

Тепловой двигатель — это аппарат, который совершает работу за счет использования энергии топлива. Машина, работающая на таком двигателе, превращает тепловую энергию в механическую и применяет зависимость расширения вещества от значения температуры.

Первая тепловая машина появилась в Римской империи. Это была турбина внешнего сгорания, работающая на пару. Но из-за низкого развития техники это изобретение не получило развития. На прогресс оно никак не повлияло и вскоре было забыто. Позже в Китае появилось пороховое орудие и пороховая ракета. Это было сравнительно простое устройство. С точки зрения механики пороховая ракета не являлась тепловым двигателем, а с точки зрения физики являлась тепловой машиной. Уже в 17 веке ученые пытались изобрести на основе порохового орудия тепловой двигатель.

Виды тепловых двигателей

Тепловые двигатели внешнего сгорания:

1. Двигатель Стирлинга — это тепловой аппарат, в котором газообразное или жидкое рабочее тело совершает движения в замкнутом пространстве. Это устройство основано на периодическом охлаждении и нагреве рабочего тела. При этом извлекается энергия, которая возникает при изменении объема рабочего тела. Двигатель Стирлинга может работать от любого источника тепла.

2. Паровые машины. Главный их плюс — это простота и отличные тяговые качества, на которые не влияет скорость работы. При этом можно обходиться без редуктора. Этим паровая машина отличается в лучшую сторону от двигателя внутреннего сгорания, выдающего на малых оборотах недостаточное количество мощности. По этой причине паровую машину удобно использовать в качестве тягового двигателя. Недостатки: низкий КПД, невысокая скорость, постоянный расход воды и топлива, большой вес. Раньше паровые машины были единственным двигателем. Но они требовали много топлива и замерзали зимой. Затем их постепенно вытеснили электродвигатели, ДВС, паровые турбины и газовые, которые обладают компактностью, более высоким КПД, универсальностью и эффективностью.

Тепловые двигатели внутреннего сгорания:

1. ДВС (расшифровывается как двигатель внутреннего сгорания) — это двигатель, в процессе работы которого, часть сгорающего топлива преобразуется в механическую энергию. Поршневые ДВС различаются по виду топлива (газовые и жидкостные), по рабочему циклу (двух- и четырехтактные), по способу приготовления рабочей смеси (карбюраторные, дизели), по типу преобразования энергии (турбинные, комбинированные, поршневые и реактивные). Первый ДВС был придуман и создан Э. Ленуаром в 1860 году. Рабочий цикл состоит из четырех тактов, по этой причине этот двигатель еще называют четырехтактным. В настоящее время такой двигатель чаще всего встречается на автомобилях.

2. Роторный ДВС. В качестве примера можно привести электрическую тепловую станцию, работающую в базовом и пиковом режимах. Этот вид двигателя относительно прост и может быть создан в любых размерах. Вместо поршней используется ротор, вращающийся в специальной камере. В ней расположены впускные отверстия и выпускные, а также свеча зажигания. При таком типе конструкции четырехтактный цикл осуществляется без механизма газораспределения. В роторном ДВС можно использовать дешевое топливо. Также он практически не создает вибраций, дешевле и надежнее в производстве, чем поршневые тепловые двигатели.

3. Ракетные и реактивные тепловые двигатели. Суть этих устройств состоит в том, чтобы тяга создавалась не с помощью винта, а посредством отдачи выхлопных газов двигателя. Могут создавать тягу в пространстве без воздуха. Бывают твердотопливные, гибридные и жидкостные).

И последний подвид — это турбовинтовые тепловые двигатели. Создание энергии происходит за счет винта и за счет отдачи газов выхлопных.

Данный проект получил Диплом III степени на Региональной учебно - научной конференции "Инициатива молодых" (2010 г.)

Вложение	Размер
proekt_Bresheva_KS-Vikulova_EV.doc.doc	281 КБ
rabota.ppt	1.73 МБ

Предварительный просмотр:

Международная научно-практическая конференция

(Секция: актуальные проблемы в науках о природе и человеке.)

Брешева Карина Серкалиевна -

Решетило Юлия Сергеевна -

Викулова Елена Владимировна -

учитель биологии высшей квалиф. категории

Саратовская область, Советский район, р.п. Степное

р.п. Степное 2010 г.

1.1. Обоснование актуальности проекта. 1

1.2. Пояснительная записка. 2

Глава I. Создание тепловых двигателей – важнейшая предпосылка научно-технического прогресса.

1.1. Тепловые двигатели и их значение в развитии НТП . 5

1.2. История создания и принципы работы тепловых двигателей . 6

Глава II. Тепловые двигатели – фактор прогресса или регресса

в развитии цивилизации.

2.1. Отрицательное воздействие тепловых двигателей на

на окружающую среду. 8

2.2. Чем опасен транспорт для здоровья человека . 9

Глава III. Пути разрешения экологических проблем.

3.1. Способы стабилизации парниковых газов в атмосфере. 10

3.2 Пути снижения токсичности двигателей. 10

Глава IV. Оценка экологической ситуации и природоохранные меры, осуществляемые в Советском районе и Саратовской области.

4.2 Природоохранные меры, осуществляемые в Саратовской области. 14

Список используемой литературы.

1.1. Обоснование актуальности проекта.

"Раньше природа устрашала человека,

а сейчас человек устрашает природу".

Тепловые двигатели - необходимый атрибут современной цивилизации. Данная тема очень актуальна, так как прогресс человечества теснейшим образом связан с развитием энергетики, транспорта. Овладение новым источником энергии, открытие новых путей ее преобразования и использования — это целая эпоха в истории развития цивилизации.

Так, мощный расцвет промышленность в XIX в. был связан с изобретением первого теплового двигателя - паровой машины. Создание двигателя внутреннего сгорания послужило базой для развития автомобильного транспорта и самолетостроение. Газовая турбина буквально в последние четыре десятилетия вызвала переворот в авиации - замену тихоходных самолетов с поршневым двигателем реактивными и турбовинтовыми лайнерами, скорость которых приближается к скорости звука, а в последнее время - и сверхзвуковыми. С помощью реактивных тепловых двигателей осуществлена вековая мечта человечества - выход в космическое пространство.

Непрерывное развитие энергетики, автомобильного и других видов транспорта, возрастания потребления угля, нефти и газа в промышленности и на бытовые нужды увеличило возможности удовлетворения жизненных потребностей человека, явилось прогрессом в развитии цивилизации. Однако в настоящее время количество ежегодно сжигаемого в различных тепловых машинах химического топлива настолько велико, что все более сложной проблемой становится охрана окружающей среды от вредного влияния продуктов сгорания.

Отрицательное влияние тепловых машин на окружающую среду связано с действием разных факторов.

1. При сжигании топлива используется кислород атмосферного воздуха.

2. Сжигание топлива сопровождается выделением в атмосферу углекислого газа.

3.При сжигании угля и нефти атмосфера загрязняется азотными и серными соединениями, вредными для здоровья человека. Особенно существенно это загрязнение в крупных городах и промышленных центрах.

Повсеместное применение тепловых двигателей с целью получения удобной для использования энергии связано с воздействием на окружающую среду и здоровье человека. Согласно законам термодинамики производство электрической и механической энергии в принципе не может быть осуществлено без отвода в окружающую среду значительного количества теплоты, что должно привести к постепенному повышению средней температуры на Земле. Кроме того, температура может, угрожающе возрасти из-за увеличения в атмосфере количества парниковых газов, выделяющихся при сжигании топлива в больших масштабах.

1.2. Пояснительная записка.

1. Изучение принципов работы и строения тепловых двигателей через исторический экскурс.

2. Анализ динамики и эффективности использования различных методик для оценки степени загрязнения окружающей среды выбросами автотранспорта.

1.Рассмотреть в хронологическом порядке этапы развития тепловых двигателей, как источников энергии.

2. Доказать, что не только уровень развития человеческой цивилизации влияет на применяемые ею виды источников энергии (тепловые двигатели), но и они в свою очередь могут изменить ход человеческой истории.

3.Определение путей решения экологических проблем п. Степное, связанных с автотранспортом.

4.Изучение природоохранных мероприятий, проводимых для улучшения экологической обстановки в Советском районе и в целом по Саратовской области.

1 этап – констатирующий

Сбор и обработка информации по теме проекта

Знакомство с устройством и принципами работы тепловых двигателей, сбор информации о качественном и количественном составе отработанных газов, поиск сведений о государственном контроле за охраной атмосферного воздуха (использование ресурсов ИНТЕРНЕТ, библиографического материала, Доклада о состоянии окружающей среды в Саратовской области, данных природозащитных организаций, СМИ).

2 этап - преобразующий

Планирование работы по выполнению исследовательской части проекта.

Изучение различных методик оценки степени загрязнения окружающей среды выхлопными газами автомобилей.

Выполнение практических работ.

Выполнение исследовательской части проекта.

Цель работы: определить запыленность приземных слоев атмосферы за зимний период; сравнить разные в экологическом отношении участки микрорайона

Цель работы : оценить кислотность снеговых выпадений; сравнить показатели кислотности на различных участках микрорайона.

3 этап - заключительный

Подведение итогов работы над проектом. Выводы.

Подготовка к защите проекта. Подготовка презентации результатов проекта.

I этап – констатирующий

Глава I . Создание тепловых двигателей – важнейшая предпосылка научно-технического прогресса.

1.1. Тепловые двигатели и их значение в развитии НТП.

Тепловыми двигателями называют машины, в которых внутренняя энергия топлива превращается в механическую энергию. Для этой цели энергия, выделяющаяся при сгорании топлива или при ядерных реакциях, передаётся путем теплообмена какому-либо газу. Расширяясь, газ производит работу против внешних сил, приводя в движение какой-либо механизм. Очевидно, что в тепловом двигателе газ не может беспредельно расширяется, ибо машина имеет конечные размеры. Следовательно, после расширения газ должен быть, затем сжат так, чтобы он сам и все детали машины пришли в первоначальное состояние. Реальные тепловые двигатели обычно работают по разомкнутому циклу, когда газ после расширения выбрасывается, а новая порция газа сжимается. Для того чтобы двигатель в течение цикла совершил полезную работу, необходимо, чтобы работа в процессе расширения была больше работы сжатия, тогда внешние тела, окружающие двигатель, получат больше механической энергии, чем отдадут при сжатии.

Любой тепловой двигатель состоит из трех основных частей: рабочего тела, нагревателя и холодильника. Рабочим телом служит какой-либо газ (или пар), за счет расширения которого совершается работа. Рабочее тело получает некоторое количество теплоты Q 1 от нагревателя - тела, у которого за счет сгорания топлива или за счет ядерных реакций поддерживается высокая постоянная температура Т 1 . Наконец, при сжатии газ передает некоторое количество теплоты Q 2 холодильнику - телу, температура которого Т 2 постоянна и всегда ниже температуры нагревателя. За счет этого давление газа при сжатии ниже, чем при расширении, что является необходимым условием успешной работы двигателя. [1]

Баланс энергии за цикл можно получить на основе первого начала термодинамики. Поскольку при завершении цикла рабочее тело приходит в первоначальное состояние, его внутренняя энергия не меняется:

U = U 1 – U 2 = 0. Отсюда: Q 1 = Q 2 + А пол + Q потерь , где Q потерь - энергия, теряемая в процессе цикла на теплообмен с окружающей средой, на трение. Отсюда следует, что А пол ≤ Q 1 – Q 2 , где случай неравенства, характеризует реальные машины, а случай равенства - идеальную машину.

1.2. История создания и принципы работы тепловых двигателей.

Впервые практически действующие универсальные паровые машины были созданы И. И. Ползуновым (1763 г.) и Д. Уаттом (1764 г.). Конструкция первых паровых машин имела основные части всех последующих тепловых машин: нагреватель, в котором освобождалась энергия топлива; водяной пар как рабочее тело и поршень с цилиндром, преобразующий внутреннюю энергию пара в механическую энергию; охладитель, необходимый для снижения температуры и давления пара. Главным недостатком паровых машин был низкий КПД, не превышающий 9%. [2]

С развитием нефтяной промышленности в конце XIX в. дало новые виды топлива - керосин, бензин. Самым распространенным типом теплового двигателя становится двигатель внутреннего сгорания. ДВС устанавливаются на автомобилях, самолетах, танках, тракторах и т. д., они могут работать на жидком топливе или на горючем газе. В бензиновом двигателе для более полного сгорания топлива перед впуском в цилиндр его смешивают с воздухом в специальных смесителях, называемых карбюраторами. Воздушно-бензиновую смесь называют горючей смесью. Топливо здесь сжигается для нагревания воздуха. Работа двигателя состоит из 4 тактов: впуск, сжатие, рабочий ход, выпуск. Перед началом каждого цикла необходимо освободить цилиндр от продуктов сгорания, не содержащих кислорода, и произвести всасывания горючей смеси. Это осуществляется во время двух подготовительных тактов впуска и выпуска. [3]

Двигатель внутреннего сгорания обладает рядом преимуществ, являющихся причиной его широкого распространения (компактность, малая масса). С другой стороны, недостатками двигателя являются: а) то, что он требует жидкого топлива высокого качества; б) невозможность получить при его помощи малую частоту вращения.

История промышленной паровой турбины началась с изобретения шведским инженером Г. Лавалем …сепаратора для молока в 1889 г. Рабочее колесо турбины Лаваля имело по окружности множество лопаток. К лопаткам примыкало 4 сопла, из которых со скоростью свыше 1 км/с выходил пар, передавая свою кинетическую энергию турбине, заставляя её вращаться с огромной скоростью. Эта турбина имела мощность 5 лс и малый КПД, что делало её непригодной для привода рабочих машин. [4]

Чтобы полнее использовать кинетическую энергию струи пара, турбины делают многоступенчатыми, насаживая на общий вал несколько роторов возрастающего диаметра. КПД современных паровых турбин достигает 40%. Электрические генераторы всех тепловых и атомных электростанций приводятся в действие паровыми турбинами. Паротурбинные двигатели нашли также широкое применение на водном транспорте.

Глава II. Тепловые двигатели – фактор прогресса или регресса в развитии цивилизации.

2.1. Отрицательное воздействие тепловых двигателей на окружающую среду.

Непрерывное развитие энергетики, автомобильного и других видов транспорта, возрастания потребления угля, нефти и газа в промышленности и на бытовые нужды увеличило возможности удовлетворения жизненных потребностей человека, явилось прогрессом в развитии цивилизации. Однако в настоящее время количество ежегодно сжигаемого в различных тепловых машинах химического топлива так велико, что все более сложной проблемой становится охрана окружающей среды от вредного влияния продуктов сгорания.

Отрицательное влияние тепловых машин на окружающую среду связано с действием разных факторов.

1. При сжигании топлива используется кислород атмосферного воздуха.

2. Сжигание топлива сопровождается выделением в атмосферу углекислого газа.

Прекратить малоэффективную и дорогостоящую реанимацию морально устаревших традиционных тепловых двигателей (ТД) может только появление двигателей с технико-экономическими и экологическими показателями, в разы превышающими существующие.

Технический консерватизм

Термодинамика возникла в первой половине XIX века в связи с развитием теории тепловых машин. В качестве рабочих тел были приняты газы и водяной пар. Появились газовые законы, появился нереальный – но при этом идеальный – цикл Карно. Появились также реальные газовые и паровые рабочие циклы тепловых двигателей, ставшие классикой. Они до настоящего времени находят широкое применение в двигателестроении, теплотехнике, авиационной и ракетно-космической технике. И по-прежнему цикл Карно считается максимально эффективным и уважаемым среди специалистов.

Теория тепловых машин и двигателей также остается без каких‑либо принципиальных изменений. Основой первых тепловых машин стал цилиндр с поршнем для совершения механической работы прямолинейного перемещения. Затем появился гибрид поршня с кривошипно-шатунным механизмом, позаимствованным от придуманной еще в XV веке самопрялки с ножным приводом, которая давно является музейным экспонатом.

Даже первобытному человеку на заре технического прогресса вряд ли пришла бы в голову мысль, что приводить во вращение ворот или блок рациональнее периодическими толчками в плоскости, совпадающей с осью вращения, чем приводить во вращение, создавая усилие перпендикулярно рычагу, соединенному с вращаемым валом. Однако кривошипно-шатунный механизм, реализующий этот явно нелогичный принцип, почти 250 лет используется в машинах и двигателях.

Теория тепловых двигателей, по‑прежнему зажатая рамками поршневого цилиндра со степенью расширения, равной степени сжатия, не может выйти за пределы этих рамок. Она продолжает реанимацию поршневых ДВС неполного расширения введением систем турбонаддува, распределенного впрыска, многократного впрыска, изменения фаз газорас-пределения, увлажнения воздуха, впрыска топлива в состоянии пара, регулирования подъема впускных клапанов, рециркуляции отработавших газов, высокого давления впрыска, нейтрализации выхлопных газов и регенерационных систем. К давно появившимся циклам Карно, Ленуара, Отто, Дизеля, Тринклера, Хамфри, Эрикссона, Стирлинга, Брайтона – Джоуля, Гирна, Калины добавились новые циклы Аткинсона и Миллера – но каких‑либо существенных изменений они не обеспечили.

Что возможно и невозможно в тепловых двигателях

Известно, что залогом достижения максимального термического КПД, выражаемого через количество тепла, являются как можно более высокие начальные параметры рабочего тела (давление и температура) – перед расширением и минимальные, близкие к окружающей среде, – после расширения. Кроме того, чтобы достичь такого КПД, необходимо также обеспечить и максимально эффективное преобразование давления, для чего необходим и максимально эффективный механизм преобразования давления рабочего тела во вращение вала.

Из определения термического КПД следует, что он тем выше, чем большая доля подведенной к рабочему телу теплоты превращается в работу. Естественным желанием является полное превращение теплоты в работу. Однако, по второму закону термодинамики, это невозможно. Часть теплоты должна быть отдана окружающей среде.

Из термодинамики следует, что теплота, подведенная к рабочему телу, идет на появление у рабочего тела двух видов энергии – внутренней энергии, мерой которой является температура, и потенциальной энергии давления, которая аналогична потенциальной энергии сжатой пружины. Механическую работу во всех тепловых двигателях совершает только потенциальная энергия давления.

Так как часть теплоты должна быть отдана окружающей среде, а она является носителем двух видов энергии, то ей фактически отдается и часть потенциальной энергии давления.

Соответственно, для тепловых двигателей второй закон необходимо дополнить следующим важным дополнением – часть потенциальной энергии давления рабочего тела должна быть отдана окружающей среде.

Таким образом, невозможно все давление рабочего тела использовать для совершения механической работы. Часть давления должна быть отдана окружающей среде.

Невозможно достичь максимального КПД в тепловых двигателях, не обеспечивая более полного использования потенциальной энергии давления рабочего тела.

Невозможно достичь максимального КПД в тепловых двигателях, преобразующих давление в механическую энергию вращения, не обеспечивая постепенного увеличения площади, воспринимающей давление, и одновременного удаления ее от центра вращения.

Невозможно достичь максимального КПД в тепловых двигателях, используя в качестве рабочего тела только газообразное.

Достижение максимального КПД возможно только при использовании в цикле расширения дополнительного рабочего тела, обладающего иными физическими свойствами, чем газ.

Достижение максимального КПД возможно только при максимальном использовании двух видов энергии, которой обладает рабочее тело перед расширением.

Невозможно достичь максимального КПД термодинамическими и рабочими циклами, не обеспечивающими полного использования энергии, которой обладает рабочее тело перед расширением.

Для достижения максимального КПД возможно использование не только потенциальной энергии давления газообразного рабочего тела, но и его внутренней энергии – при применении ее для генерации потенциальной энергии давления рабочего тела с иными свойствами, чем у газообразного, а именно – парообразующей жидкости.

Возможна генерация дополнительного рабочего тела непосредственно в процессе расширения газообразного.

Залог высокого КПД – максимальный крутящий момент

Рабочее тело в тепловом двигателе перед расширением обладает запасом потенциальной и внутренней тепловой энергии, но только потенциальная энергия (давление) рабочего тела преобразуется в механическую работу, а не температура. Температура необходима лишь для появления давления, которое и совершает работу. Об этом свидетельствует и формула крутящего момента. Даже после расширения до атмосферного давления рабочее тело имеет высокую температуру.

Для определения основных критериев оценки идеального теплового двигателя логичнее обратиться к формуле крутящего момента (Мкр), оценивающей конечный результат работы ТД, и проанализировать, как достичь максимальной величины Мкр.

Из формулы крутящего момента Мкр = Р х S х R (где Р – давление, S – активная площадь, R – радиус действия силы) следует, что для осуществления максимально эффективной работы при расширении рабочего тела необходимо обеспечить, по меньшей мере, его постоянство и максимальную величину. Что возможно, если поддерживать в процессе расширения максимальными площадь S и радиус R (или их произведение), то есть если увеличивать сомножители, входящие в формулу Мкр.

Идеальный механизм преобразования силы давления рабочего тела во вращательное движение вала должен обеспечивать увеличение объема за счет постепенного роста активной площади S, через которую передается усилие на вал, причем – при постоянном или растущем радиусе R приложения силы. Это и дает максимально возможный Мкр и, соответственно, мощность, которая зависит уже только от оборотов вала.

Использование парообразующей жидкости

Повысить степень использования тепловой энергии газов можно с помощью парообразующей жидкости – учитывая ее свойство при подводе одного и того же количества тепла запасать больше потенциальной энергии, чем газ. Это реализуется сейчас в парогазотурбинных установках, рассчитанных на совместное использование в двух тепловых циклах двух рабочих тел: газообразных продуктов сгорания топлива и водяного пара.

Известны контактные схемы, в которых газ и пар смешиваются в общий поток, поступающий в одну турбину. Пар здесь также генерируется в отдельном контактном парогенераторе. Однако в газовых турбинах необъемного расширения, работающих по циклу Брайтона, из‑за опасности помпажа и разрушения лопаток турбины можно подать только водяной пар и только в ограниченном количестве.

Теорией и практикой доказано, что использование водяного пара в рабочих циклах не только позволяет более полно использовать теплоту газообразных продуктов сгорания, но и обеспечивает снижение удельного расхода горючего.

Соответственно, также воздуха и выхлопных газов, повышая их удельную экологическую чистоту.

Использование парообразующей жидкости для повышения КПД газовых циклов возможно во всех типах тепловых двигателей, осуществляющих преобразование теплоты в механическую работу.

Максимальный КПД

В настоящее время в тепловых двигателях реализуются или только газовые, или только паровые циклы.

Среди используемых газовых максимальные начальные параметры давления и температуры (Р и Т) рабочих газов имеют циклы, реализуемые в тепловых двигателях объемного расширения. А невысокие, но обеспечивающие полное использование давления газов начальные параметры имеют циклы в двигателях необъемного расширения газотурбинных двигателей.

Первой перед автором стояла задача создать двигатель объемного расширения, в котором бы непрерывно реализовывался процесс создания газообразного рабочего тела с максимальными начальными Р и Т (характерными для двигателей объемного расширения), с дальнейшим расширением их до минимальных Р и Т (характерных для газотурбинных двигателей необъемного расширения).

Однако, обеспечивая максимально полное расширение, необходимо было также решить задачу максимально эффективного преобразования давления, обеспечив максимальный крутящий момент. А как следует из формулы, максимальный Мкр может быть достигнут при одновременном росте активной площади S и радиуса R. В большей степени это может обеспечить кинематический механизм, в котором процесс расширения будет происходить по траектории, подобной плоской спирали Архимеда.

Турбина объемного расширения

В современных осевых газовых и паровых турбинах необъемного расширения один поток рабочего тела движется в направлении оси вала турбины. При этом крутящий момент создает окружная сила, возникающая на лопатках ротора турбины и действующая перпендикулярно осевому потоку.

Известна однопоточная радиальная турбина необъемного расширения, предложенная в 1912 году в Швеции братьями Юнгстрем. Рабочее тело в ней движется при расширении от центра к периферии – в плоскости, перпендикулярной оси турбины. В ней нет неподвижных сопловых лопаток, два ротора вращаются в противоположных направлениях, и мощность, развиваемая турбиной, передается двум валам. Как и осевые турбины, она использует кинетическую энергию одного потока и является чисто реактивной.

Турбина объемного расширения (ТОР) является радиальной двухпоточной. В ней два потока рабочего тела движутся при расширении в плоскостях, перпендикулярных оси турбины, – однако, в отличие от известной, здесь используется не кинетическая энергия, а потенциальная энергия давления.

Она содержит два зеркально идентичных блока кольцевых цилиндров, между которыми эксцентрично установлен общий для двух проточных частей ротор. При использовании в составе ДВС он является общим рабочим колесом и для работы компрессоров, и для предварительного расширения газов, и для дорасширения газов или газопаровой смеси.

На планшайбе ротора, с двух торцевых сторон, для компрессорных полостей цилиндров и полостей предварительного бесступенчатого расширения газов каждого блока выполнены цилиндрические выступы, взаимодействующие через кинематические механизмы (шарниры) с лопастями или, как вариант, с лопатками рабочего колеса. Для цилиндров ступенчатого расширения газов или газопаровой смеси предусмотрены лопатки. Один шарнир, проходящий сквозь планшайбу ротора, может одновременно использоваться для лопастей левого и правого цилиндров.

Изменением размеров поперечного сечения и количеством кольцевых цилиндров обеспечивается любая требуемая степень расширения газа или газопаровой смеси.

Во втором варианте радиальная турбина содержит ступени необъемного расширения. На боковых поверхностях ротора кольцами постепенно возрастающего диаметра располагаются лопатки рабочих ступеней, а на внутренних боковых поверхностях блоков цилиндров, также кольцами, – неподвижные сопловые лопатки. После сборки турбины подвижные лопатки ротора чередуются с неподвижными лопатками цилиндров, образуя ступени расширения. Подвод рабочего тела осуществляется не парциально, как в турбине объемного расширения, а по всей окружности.

Оба варианта турбин могут использоваться и как дорасширительные в ДВС, и в качестве расширительных с внешним подводом пара – вместо традиционных паровых турбин.

При использовании обоих вариантов турбин в составе двигателя внутреннего сгорания полости цилиндров в каждом блоке последовательно (от центра к периферии – от впускного окна до выпускного) сообщаются между собой с образованием проточной части. Проточная часть содержит одну (впрыск, карбюратор) или две (дизель) кольцевые полости сжатия, перепускной канал, полости дожатия, воспламенения и предварительного объемного бесступенчатого расширения рабочих газов. А также – центробежную, спиралеобразную проточную часть ступенчатого расширения газов или газопаровой смеси.

Непрерывный, радиально-центробежный, спиралеобразный характер движения рабочего тела при расширении позволяет резко улучшить эффективность преобразования потенциальной энергии непосредственно в механическую. А соответственно – резко снизить удельный расход горючего и габаритно-весовые характеристики двигателя.

Газопаровой турбодвигатель

В ГПТД реализуется гибридный непрерывный рабочий цикл, состоящий из двух известных, осуществляемых раздельно в ДВС и паровых или газовых турбинах. При этом объединение двух рабочих циклов в один непрерывный обеспечивает срабатывание почти всего избыточного давления и почти всего избыточного тепла рабочих газов и пара и, соответственно, обеспечивает их суммарный КПД.

По существу, на газовый цикл традиционных ДВС, остаточная энергия газообразных продуктов сгорания которых велика и не используется, наложен паровой цикл, использующий теплоту предварительно расширившихся газов для генерации пара и его дальнейшего объемного расширения с ними до атмосферного давления газов и начала конденсации пара в жидкость.

Регулировка крутящего момента и, соответственно, мощности может осуществляться изменением подачи горючего и воды (или только воды – для мощных турбодвигателей) перепуском газопаровой смеси через ступень (по аналогии с паровыми турбинами).

Использование в рабочем цикле ГПТД водяного пара позволит не только более полно использовать теплоту продуктов сгорания, но и резко снизить удельный расход горючего, воздуха и выхлопных газов, обеспечивая их полную экологическую чистоту.

Известно, что в ДВС на сжигание 1 килограмма горючего в среднем расходуется 15 килограммов воздуха, а в авиационных ГТД – в 6‑7 раз больше. В ГПТД удельный расход воздуха в 8‑10 раз меньше, чем в ДВС, и в 50‑60 раз меньше, чем в авиационных двигателях.

Эффективность использования водяного пара в рабочем цикле ДВС для снижения токсичности выхлопных газов доказана исследованиями специалистов. Однако при этом не оценивается влияние попадающих в атмосферу токсичных паров воды, после конденсации которых растворенные твердые и газообразные токсичные вещества попадают в почву и атмосферу, т. е. в целом выхлоп остается токсичным.

При работе ГПТД обеспечивается полная экологическая чистота выхлопных газов. Токсичные газообразные и твердые вещества продуктов сгорания, растворенные в процессе расширения в водяном паре, остаются в контуре двигателя в конденсате, который периодически может сливаться, нейтрализовываться, а выделенные токсичные отходы утилизироваться.

В отличие от традиционных ДВС система охлаждения в ГПТД используется не для отвода избыточного тепла в атмосферу, а в качестве рекуперативного теплообменника. Она отводит тепло, образующееся при сжатии топливовоздушной смеси или воздуха, и избыточное тепло продуктов сгорания на предварительный нагрев второго рабочего тела – парообразующей жидкости.

В ГТД и ГПТД механические потери имеют место только в цилиндрах, в которых установлены лопасти и которые выполняют функции компрессора и предварительного расширения газообразных продуктов сгорания. При этом для герметизации стыков используются простые, надежные кольцевые торцевые уплотнения, характеризующиеся минимальным моментом трения и обеспечивающие высокий механический КПД.

В цилиндрах, которые выполняют функцию расширения газовой или газопаровой смеси и в которых перемещаются лопатки ротора, механические потери отсутствуют вообще, при этом в них создается основная доля крутящего момента и, соответственно, мощности турбодвигателя.

Расчеты показали, что фактически за счет тепловой энергии (теряемой в традиционных двигателях через систему охлаждения и с выхлопными газами) в газопаровом турбодвигателе объемного расширения до 70 процентов мощности, то есть больше половины, создается за счет нового газопарового термодинамического цикла и за счет оригинального механизма преобразования потенциальной энергии в механическую – турбины объемного расширения.

Предварительные расчеты основных технических характеристик ГПТД позволяют утверждать, что для создания мощности в 1 кВт он будет потреблять примерно в 8‑10 раз меньше горючего, чем потребляют лучшие образцы современных ДВС, соответственно в 8‑10 раз меньше потреблять атмосферного кислорода и выбрасывать в атмосферу нетоксичных выхлопных газов. Удельные потери тепла в атмосферу снизятся не менее чем в 15 раз.

Эффективный КПД может достигать 75‑80 процентов, то есть в два раза выше, чем обеспечивают лучшие образцы современных тепловых двигателей. При использовании тепла пара или горячего конденсата потребителями тепловой энергии (промышленная ТЭЦ или автономная мини-ТЭЦ) термический КПД может достигать 90 процентов, в условиях космоса – до 92 процентов.

Обеспечить вышеуказанные показатели удалось, создав совершенные кинематический механизм преобразования давления в крутящий момент и комбинированный (бинарный) газопаровой термодинамический цикл с использованием в качестве рабочего тела газопаровой смеси.

Появление адиабатного газопарового турбодвигателя объемного расширения, по мнению автора, вполне может завершить эпоху существования всех типов поршневых и роторно-лопастных ДВС неполного расширения и неполного использования теплоты газообразного рабочего тела.

Читайте также: