Тепловые двигатели

Реферат

на тему

«Тепловые двигатели».

 

 

                      

                

                                                              

 

 

                                                                        Выполнила:

                                  студентка 1го курса

                            группы ЗМ 1-11

                                     Байдавлетова Ксения.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Челябинск 2011

 

                                Содержание:

1.Введение

2.Что называют тепловым двигателем?

3.Виды тепловых двигателей.

4. Принцип действия тепловых двигателей.

5.Характеристика тепловых двигателей.

6.Двигатель Внутреннего  сгорания и внешнего сгорания.

7.Проблемы возникшие при внедрении тепловых двигателей.

8.Список литературы.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение.

Человечество на протяжении всей своей истории стремилось использовать источники энергии для решения  своих задач. На заре истории человек использует воду в качестве источника энергии. Позже, в средние века, человечество научилось использовать энергию ветра. Со временем этого оказалось недостаточно для развития промышленности, ведь ветер не всегда достаточно силен, для того чтобы вращать крылья ветряных мельниц, а вода замерзает зимой. Но в конце XVIII века был изобретен паровой двигатель. Создание тепловых двигателей – необходимый атрибут современной цивилизации. Данная тема очень актуальна, так как прогресс человечества теснейшим образом связан с развитием энергетики, транспорта. Автомобильный транспорт играет огромную роль в формировании современного характера расселения людей и распространении туризма, в территориальной децентрализации промышленности и сферы обслуживания. Овладение новым источником энергии, открытие новых путей её преобразования и использования – это целая эпоха в истории развития цивилизации.

С изобретением парового двигателем стало возможным дальнейшее развитие техники и промышленности. Но паровой  двигатель имеет очень низкий коэффициент полезного  действия, большую часть  полученной при  сгорании топлива энергии  он  попросту выбрасывает в воздух. Поэтому начались исследования  по  постройке двигателей внутреннего сгорания. 
Каждый из рассмотренных нами этапов развития человечества имел свой  источник энергии. И каждый  последующий источник был более мощным и позволял  получать большее количество энергии при меньших  затратах.

Итак мы можем сделать вывод, что развитие техники  и  промышленности напрямую зависит от уровня использования внутренней  энергии тел.

 

Основная часть

Сейчас мы рас смотрим, что называется тепловым двигателем.

Тепловой двигатель – это машина для преобразования тепловой энергии в механическую работу. В тепловом двигателе происходит расширение газа, который давит на поршень, заставляя его перемещаться, или на лопатки турбины, сообщая ему вращение. Тепловой двигатель состоит из: нагревателя (камеры сгорания, парового котла); рабочего тела (газ, пар) и холодильника (внешняя среда, конденсатор).

          

         Тепловые двигатели:

• Паровая машина
• Паровая турбина
• Двигатель внутреннего сгорания
• Газовая турбина
• Реактивный двигатель

 

Во всех типах таких  двигателей непрерывное или периодически повторяющееся получение работы возможно только в том случае, когда  совершающая работу машина не только получает тепло от какого-то тела (нагревателя), но и отдает часть тепла другому  телу (охладителю).

Работа, совершаемая двигателем, равна:

, где:

 

• Q_H — количество теплоты, полученное от нагревателя,
• Q_X — количество теплоты, отданное охладителю.

 

                       Общая характеристика тепловых двигателей.    

1)Паровая машина – тепловой двигатель внешнего сгорания, преобразующий энергию пара в механическую работу возвратно-поступательного движения поршня, а за тем во вращательное движение вала.

Поздние паровые машины были вытеснены двигателями внутреннего  сгорания, паровыми турбинами и электромоторами.

Для привода паровой машины в действия был необходим паровой  котёл. Расширяющийся пар давил на поршень , движение которых передается другим механическим частям.

 Преимущество парового  двигателя - это возможность использовать  любой вид топлива – от дров  до урана.

Паровые машины использовались как приводной двигатель в  насосных станциях, локомотивах, паровых  автомобилях и других транспортных средствах. Они также способствовали распространению  коммерческого  использования машин на предприятиях и являлись энергетической основой  промышленной революции XVIII века. Основным преимуществом паровых машин является то, что они могут использовать практически любые источники тепла для преобразования его в механическую работу. Это отличает их от двигателей внутреннего сгорания, каждый тип которых требует использования определённого вида топлива. Недостатки паровых машин: низкий кпд (от 1 до 20%), ограниченные быстроходность (до 1000 об/мин) и агрегатная мощность (до 30000 л. с.), а также большие габариты и масса — привели к тому, что производство

2)Паровая турбина – вид парового двигателя, в котором струя пара, действуя на лопатки ротора, вызывает его вращение.

Паровые турбины используются в качестве первичных двигателей промышленных  установок в течение  многих лет. Пар, образующийся в паровом  котле, расширяясь, под высоким давлением проходит через лопатки турбины. Турбина вращается и производит механическую энергию, используемая генератором для производства электричества. Однако использование тяжелых нефтяных фракций и твердого топлива снижает экологические показатели системы. По умолчанию, паровые турбины производят больше тепла, чем электричества, в результате имеют высокие затраты на установленную мощность.

3)Двигатель внутреннего сгорания (ДВС) – это тип двигателя, тепловой машины, в которой химическая энергия топлива, сгорающего в рабочей зоне, преобразуется в механическую работу. Поршневой двигатель внутреннего сгорания сегодня является самым распространённым тепловым двигателем. Он используется для привода средств наземного, воздушного и водного транспорта, боевой, сельскохозяйственной и строительной техники, электрогенераторов, компрессоров, водяных насосов и прочих машин, как мобильных, так и стационарных, и производится в мире ежегодно в количестве нескольких десятков миллионов изделий. Источником тепла в ДВС является химическая энергия топлив, а его сгорание происходит внутри двигателя. Поэтому для таких двигателей не требуется какой-либо внешний нагреватель.

Все современные двигатели  работают на бензине или дизельном  топливе.

 Недостатком ДВС является  то, что он вырабатывает большое  количество токсичные выбросы,  громоздкость, сильный шум, необходимость  охлаждения и смазки, относительно  небольшой ресурс, сложная система  зажигания, высокое потребление  горючего.

 

4)Газовая турбина – турбина, в которой тепловая энергия сжатого и нагретого газа преобразуется в механическую работу; входит в состав газотурбинного двигателя. Мощность обычно 200 МВт. Они используются в составе газотурбинных двигателей, стационарных газотурбинных установок и парогазовых установок. Они часто используются в ракетах на жидком топливе, в кораблях, локомотивах, вертолетах и танках.

        Преимущество:

• Очень высокое отношение мощности к весу, по сравнению с поршневым двигателем;
• КПД на максимальных оборотах выше, чем у поршневых двигателей.
• Меньшее количество движущихся частей, чем у поршневого двигателя.
• Низкие эксплуатационные нагрузки.
• Высокая скорость вращения.
• Низкая стоимость и потребление смазочного масла.

     Недостатки газовых двигателей: высокая стоимость, задержка отклика настроек мощности.

 

5)Реактивный двигатель – двигатель–движитель, создающий для движения силу тяги посредством преобразования потенциальной энергии топлива в кинетическую энергию реактивной струи рабочего тела. В реактивном двигателе сила тяги, необходимая для движения, создается путем преобразования исходной энергии в кинетическую энергию рабочего тела.

Для создания реактивной тяги необходимы источник исходной энергии, которая преобразуется в кинетическую энергию реактивной струи, рабочее  тело, выбрасываемое из двигателя  в виде реактивной струи, и сам  реактивный двигатель, преобразующий  первый вид энергии во второй.   
 
Важным этапом в развитии идеи реактивного движения была идея применения ракеты в качестве двигателя для летательного аппарата. Н. Е. Жуковский в работах «О реакции вытекающей и втекающей жидкости» (1880-е годы) и «К теории судов, приводимых в, движение силой реакции вытекающей воды»     (1908 г.) впервые разработал основные вопросы теории реактивного двигателя.

 Реактивные твердотопливные двигатели очень надежны, могут долго храниться, а следовательно, постоянно готовы к запуску.  Они применяются в авиации и космонавтике, в самолетах и в космических аппаратах.

 

 

              Принцип действия тепловых двигателей.

Каждый тепловой двигатель состоит из 3 основных элементов: рабочее тело (например, газ), которое совершает работу в двигателе; нагреватель, от которого рабочее тело получает энергию, часть которой затем идет на совершение работы; холодильника, которым могут являться атмосфера или специальные устройства.

Работа теплового двигателя состоит из повторяющихся циклов, каждый из которых таков: приобретение рабочим телом энергии Q1 от нагревателя (температура которого T1); расширение рабочего тела и совершение им полезной работы А_пол; передача неиспользованной части энергии Q2 холодильнику (температура которого T2 всегда меньше, чем температура нагревателя T1); возвращение охлажденного рабочего тела в исходное состояние. Из первого закона термодинамики следует, что при завершении цикла рабочее тело приходит в первоначальное состояние и его внутренняя энергия не меняется:

deltaU = U2 - U1 = О,

значит,

Q1 = Q2 + A пол + Qпотерь:

где (Q— энергия потерь за один цикл, которая расходуется на теплообмен с окружающей средой, на трение и т. д. Таким образом, полезная работа, совершаемая за цикл, A_пол ≤ Q1 - Q2 где в случае равенства речь идет об идеальном двигателе, в котором нет потерь энергии.

 

                   Характеристика тепловых двигателей.

Действие теплового двигателя  подчиняется законам термодинамики. Для работы необходимо создать разность давлений по обе стороны поршня двигателя или лопастей турбины. Для работы двигателя обязательно наличие топлива. Это возможно при нагревании рабочего тела (газа), который совершает работу за счёт изменения своей внутренней энергии. Повышение и понижение температуры осуществляется, соответственно, нагревателем и охладителем.

Коэффициент полезного  действия теплового двигателя рассчитывается как отношение работы, совершаемой двигателем, к количеству теплоты, полученному от  нагревателя:

 

                                     

В тепловых двигателях не вся внутренняя энергия пара или газа превращается в механическую энергию. Важно знать, какую часть энергии, выделяемой топливом, тепловой двигатель превращает в полезную работу, т.е. в ту работу, ради которой он и создан. Чем больше эта часть энергии, тем двигатель экономичнее.

Пусть Aп – полезная работа; Q₁ – количество теплоты, поступившее от нагревателя; Q₂ – количество теплоты, отданное холодильнику: Aп = Q₁ – Q₂.

Определение:

 

 

          Двигатель внешнего сгорания.

Двигатель внешнего сгорания - тепловая машина, в которой жидкое или газообразное рабочее тело движется в замкнутом объёме, разновидность двигателя внешнего сгорания. Основан на периодическом нагреве и охлаждении рабочего тела с извлечением энергии из возникающего при этом изменения объёма рабочего тела. Может работать не только от сжигания топлива, но и от любого источника тепла.

           Недостатки:

• Материалоёмкость
• применение высокого давления и специальные виды рабочего тела(водород, гелий) для получения характеристик, сравнимых с характеристиками ДВС
• Тепло не подводится к рабочему телу непосредственно, а только через стенки теплообменников.
• Для быстрого изменения мощности двигателя используются методы: буферная ёмкость изменяемого объёма, изменение среднего давления рабочего тела в камерах, изменение фазного угла между рабочим поршнем и вытеснителем. В последнем случае реакция двигателя на управляющее действие водителя является практически мгновенной.

 

Двигатель 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.