Тепловые машины и развитие техники

Предмет: Физика
Тип работы: Реферат
Язык: Русский
Дата добавления: 01.08.2019

 

 

 

 

 

  • Данный тип работы не является научным трудом, не является готовой выпускной квалификационной работой!
  • Данный тип работы представляет собой готовый результат обработки, структурирования и форматирования собранной информации, предназначенной для использования в качестве источника материала для самостоятельной подготовки учебной работы.

Если вам тяжело разобраться в данной теме напишите мне в whatsapp разберём вашу тему, согласуем сроки и я вам помогу!

 

По этой ссылке вы сможете найти много готовых рефератов по физике:

 

Много готовых рефератов по физике

 

Посмотрите похожие темы возможно они вам могут быть полезны:

 

Значение статического электричества в науке и технике
Электроизмерительные приборы
Гроза как электрическое явление
О магните, магнитных телах и большом магните Земли


Введение:

История тепловых двигателей восходит к далекому прошлому. Говорят, что более двух тысяч лет назад, в III веке до нашей эры, великий греческий механик и математик Архимед построил пушку, обстрелянную паром. Чертеж пушки Архимеда и ее описание были найдены 18 веками позже в рукописях великого итальянского ученого, инженера и художника Леонардо да Винчи. 

Спустя три столетия в Александрии, культурном и богатом городе на африканском побережье Средиземного моря, жил и работал выдающийся ученый Герон, которого историки называют Героном.

Александрия. Герон оставил несколько работ, дошедших до нас, в которых он описал различные машины, устройства, механизмы, известные в то время. 

История тепловых двигателей

В трудах Герона есть описание интересного устройства, которое сейчас называют шаром Герона. Это полый железный шар, закрепленный так, что он может вращаться вокруг горизонтальной оси. Шар Херона является прототипом современных реактивных двигателей. 

В то время изобретение Герона не нашло применения и оставалось только забавным. Пятнадцать веков прошло. Во времена нового расцвета науки и техники, который наступил после средневековья, Леонардо да Винчи задумывается об использовании внутренней энергии пара. В его рукописях есть несколько рисунков с изображением цилиндра и поршня. В цилиндре есть вода под поршнем, а сам цилиндр нагревается. Леонардо да Винчи предположил, что пар, образующийся в результате нагрева воды, расширяющейся и увеличивающейся в объеме, будет искать выход и толкать поршень вверх. Во время движения вверх поршень может выполнять полезную работу. 

Я представил двигатель, который использует энергию пара несколько иначе, Джованни Бранка, который жил на столетие раньше, чем великий Леонардо. Это было колесо с лопастями, второе попало под струю пара, так что колесо начало вращаться. По сути, это была первая паровая турбина. 

В XVII-XVIII веках англичане работали над изобретением парового двигателя Томас Севери (1650-1715) и Томас Ньюкомен (1663-1729), француз Дени Папин (1647-1714), русский ученый Иван Иванович Ползунов (1728-1766) и другие.

Папен построил цилиндр, в котором поршень свободно перемещался вверх и вниз. Поршень был соединен перекинутым через блок тросом с грузом, который после поршня также поднимался и опускался. По словам Папена, поршень может быть подключен к какой-то машине, например, к водяному насосу, который будет качать воду. Ось была вылита в нижнюю откидную часть цилиндра, которая затем была подожжена. Получившиеся газы, пытаясь расширяться, толкали поршень вверх. После этого диодная вода заливалась на цилиндр и поршень снаружи. Газы в цилиндре были охлаждены, и их давление на поршень уменьшилось. Поршень под действием собственного веса и внешнего атмосферного давления опустился вниз, одновременно поднимая груз. 

Двигатель делал полезную работу. Для практических целей он не подходил: технологический цикл его работы был слишком сложным. Кроме того, использование такого двигателя было далеко не безопасным. 

Тем не менее, нельзя не видеть особенности современного двигателя внутреннего сгорания в первом автомобиле Палена.

Папен использовал воду вместо пороха в своем новом двигателе. Этот двигатель работал лучше, чем порошковый, но также мало пригоден для серьезного практического использования. 

Недостатки были связаны с тем, что подготовка пара, необходимого для работы двигателя, проходила в самом цилиндре. Но что, если в цилиндр поступит готовый пар, полученный, например, в отдельном котле? Тогда будет достаточно поочередно впустить пар, затем охлажденную воду в цилиндр, и двигатель будет работать на более высокой скорости и с меньшим расходом топлива. 

Современник Дени Палена, англичанин Томас Севери, который построил паровой насос для откачки воды из шахты, догадался об этом. В его машине пар готовился снаружи цилиндра в котле. 

Вслед за Севери английский кузнец Томас Ньюкомен разработал паровой двигатель (также приспособленный для откачки воды из шахты). Он умело использовал многое из того, что было изобретено до него. Ньюкомен взял цилиндр с поршнем Папена, но получил пар, чтобы поднять поршень, как Севери, в отдельный котел. 

Машина Newcomen, как и все ее предшественники, работала с перерывами, между двумя рабочими ходами поршня возникала пауза. Она была ростом с четырехэтажное здание и, следовательно, исключительно: пятьдесят лошадей едва успели принести ей топливо. Обслуживающий персонал состоял из двух человек: пожарный непрерывно бросал уголь в печи, а механик приводил в действие краны, которые пропускали пар и холодную воду в цилиндр. 

Прошло еще 50 лет, прежде чем универсальный паровой двигатель был построен. Это произошло в России, на одной из ее отдаленных окраин Алтая, где в то время работал блестящий русский изобретатель, солдатский сын Иван Ползунов. 

Ползунов построил его на одном из барнаульских заводов. В апреле 1763 года Ползунов заканчивает расчеты и представляет проект на рассмотрение. В отличие от паровых насосов Severi и Newcomen, о которых знал Ползунов и чьи недостатки он ясно понимал, это был проект универсальной машины непрерывного действия. Машина была разработана для сильфонного нагнетания воздуха в плавильные печи. Главной его особенностью было то, что рабочий вал качался непрерывно, без пауз холостого хода. Это было достигнуто благодаря тому, что Ползунов предоставил вместо одного цилиндра, как это было в машине Ньюкомена, два попеременно работающих. В то время как в одном цилиндре поршень поднимался под действием пара, в другом пар конденсируется и поршень опускается. Оба поршня были соединены одним рабочим валом, который они попеременно поворачивали в одну или другую сторону. Рабочий ход машины осуществлялся не из-за атмосферного давления, как в Newcomen, а из-за работы пара в цилиндрах. 

Весной 1766 года ученики Ползунова через неделю после его смерти испытали машину. Она проработала 43 дня и привела в движение сильфон трех плавильных печей. Затем котел начал течь; кожа, покрывающая поршни (чтобы уменьшить зазор между стенкой цилиндра и поршнем), изнашивается, и машина останавливается навсегда. Никто другой не сделал это. 

Создателем другого универсального парового двигателя, получившего широкое распространение, был английский механик Джеймс Уотт (1736-1819). Работая над улучшением машины Ньюкомена, он построил двигатель в 1784 году, который был пригоден для любых нужд. Изобретение Ватта было получено на ура. В большинстве развитых стран Европы ручной труд на фабриках и заводах все чаще заменялся работой машин. Универсальный двигатель стал необходимым для производства, и он был создан. В двигателе Watt используется так называемый кривошипно-шатунный механизм, который преобразует возвратно-поступательное движение поршня в вращательное движение колеса. 

Только позже были изобретены машины: поочередно направляя пар под поршень, а затем сверху поршня, Ватт превратил оба своих хода (вверх и вниз) в рабочие. Машина стала мощнее. Пар в верхней и нижней частях цилиндра направлялся специальным парораспределительным механизмом, который впоследствии был усовершенствован и назван. 

Затем Ватт пришел к выводу, что нет необходимости подавать пар в цилиндр все время, пока поршень движется. Достаточно пропустить некоторое количество пара в цилиндр и передать движение поршню, и тогда этот пар начнет расширяться и перемещать поршень в крайнее положение. Это сделало автомобиль более экономичным: потребовалось меньше пара, потреблялось меньше топлива. 

Тепловые машины и развитие техники

Сегодня одним из наиболее распространенных тепловых двигателей является двигатель внутреннего сгорания (ДВС). Его устанавливают на автомобили, корабли, тракторы, моторные лодки и т. д., таких двигателей сотни миллионов по всему миру. 

Типы тепловых двигателей

К тепловым двигателям относятся: паровой двигатель, двигатель внутреннего сгорания, паровые и газовые турбины, реактивный двигатель. Их топливо твердое и жидкое топливо, солнечная и ядерная энергия. 

Паровой двигатель это тепловой двигатель внешнего сгорания, который преобразует энергию нагретого пара в механическую работу возвратно-поступательного движения поршня, а затем во вращательное движение вала. В более широком смысле паровой двигатель это любой двигатель внешнего сгорания, который преобразует энергию пара в механическую работу. Паровой котел необходим для привода парового двигателя. Расширяющийся пар давит на поршень или на лопатки паровой турбины, движение которых передается другим механическим частям. Одним из преимуществ двигателей внешнего сгорания является то, что, отделяя котел от парового двигателя, они могут использовать практически любой тип топлива, от дерева до урана. Основным преимуществом паровых двигателей является то, что они могут использовать практически любой источник тепла для преобразования его в механическую работу. Это отличает их от двигателей внутреннего сгорания, каждый тип которых требует использования определенного вида топлива.

Это преимущество наиболее заметно при использовании ядерной энергии, поскольку ядерный реактор не способен генерировать механическую энергию, а только вырабатывает тепло, которое используется для генерации пара, приводящего в движение паровые двигатели (обычно паровые турбины). Кроме того, существуют другие источники тепла, которые нельзя использовать в двигателях внутреннего сгорания, например солнечная энергия. Интересным направлением является использование энергии разности температур Мирового океана на разных глубинах. Другие типы двигателей внешнего сгорания, такие как двигатель Стирлинга, имеют аналогичные свойства, которые могут обеспечить очень высокую эффективность, но значительно больше по весу и размеру, чем современные типы паровых двигателей. 

Двигатель внутреннего сгорания (сокращенно ICE) это тип двигателя, тепловой двигатель, в котором химическая энергия топлива (обычно используется жидкое или газообразное углеводородное топливо), сжигаемого в рабочей зоне, преобразуется в механическую работу. Несмотря на то, что ДВС являются относительно несовершенным типом тепловых двигателей (громкий шум, токсичные выбросы, более короткий ресурс), из-за их автономности (требуемое топливо содержит гораздо больше энергии, чем лучшие электрические батареи), например, ДВС очень широко распространены, в транспорте. 

Газовая турбина представляет собой тепловой двигатель непрерывного действия, в котором энергия сжатого и нагретого газа преобразуется в механическую работу на валу. Он состоит из компрессора, соединенного непосредственно с турбиной, и камеры сгорания между ними. (Термин газовая турбина также может относиться к самому элементу турбины.) Сжатый окружающий воздух из компрессора поступает в камеру сгорания, где он смешивается с топливом и воспламеняет смесь. Сжигание увеличивает температуру, скорость и объем потока газа. Далее энергия горячего газа превращается в работу. При входе в сопловую часть турбины горячие газы расширяются, а их тепловая энергия преобразуется в кинетическую энергию. Затем в роторной части турбины кинетическая энергия газов заставляет вращаться ротор турбины. Часть мощности турбины потребляется компрессором, а остальная часть это полезная мощность. Газотурбинный двигатель приводит в движение высокоскоростной генератор, расположенный с ним на одном валу. Работа, потребляемая этим устройством, является полезной работой ГТД. Энергия турбины используется в самолетах, поездах, кораблях и танках. 

Преимущества газотурбинных двигателей

Эти недостатки объясняют, почему дорожные транспортные средства, которые меньше, дешевле и требуют менее регулярного технического обслуживания, чем танки, вертолеты, большие лодки и т. д., не используют газотурбинные двигатели, несмотря на неоспоримые преимущества в размерах и мощности.

Паровая турбина представляет собой серию вращающихся дисков, установленных на одной оси, называемых ротором турбины, и серию чередующихся неподвижных дисков, закрепленных на основании, называемых статором. Диски ротора имеют лопасти снаружи, пар подается на эти лопасти и вращает диски. Диски статора имеют аналогичные лопатки, установленные под противоположным углом, которые служат для перенаправления потока пара на следующие диски ротора. Каждый диск ротора и соответствующий ему диск статора называются ступенью турбины. Количество и размер ступеней каждой турбины подбираются таким образом, чтобы максимально использовать полезную энергию пара с той же скоростью и давлением, что и на него.

Отработавший пар, выходящий из турбины, поступает в конденсатор. Турбины вращаются с очень высокой скоростью, поэтому при передаче вращения на другое оборудование обычно используются специальные редукторы. Кроме того, турбины не могут изменить направление своего вращения и часто требуют дополнительных механизмов обратного хода (иногда используются дополнительные ступени обратного вращения).

Турбины преобразуют энергию пара непосредственно во вращение и не требуют дополнительных механизмов для преобразования возвратно-поступательного движения во вращение. Кроме того, турбины более компактны, чем поршневые машины, и имеют постоянную силу на выходном валу. Поскольку турбины имеют более простую конструкцию, они обычно требуют меньше обслуживания. Основная область применения паровых турбин производство электроэнергии (около 86% мирового производства электроэнергии производится паровыми турбинами), кроме того, они часто используются в качестве судовых двигателей (включая атомные корабли и подводные лодки). Был также построен ряд паровозных локомотивов, но они не получили широкого распространения и были быстро заменены дизельными и электровозами. 

Реактивный двигатель это двигатель, который создает тяговую силу, необходимую для движения, путем преобразования начальной энергии в кинетическую энергию струи струи рабочего тела. Рабочая жидкость вытекает из двигателя на высокой скорости, и в соответствии с законом сохранения импульса создается реактивная сила, которая толкает двигатель в противоположном направлении. Для ускорения рабочей жидкости может быть предусмотрено расширение газа, нагретого тем или иным способом до высокой температуры (так называемые тепловые реактивные двигатели), и другие физические принципы, например ускорение заряженных частиц в электростатическом поле. используется. Реактивный двигатель объединяет реальный двигатель с пропеллером, то есть он создает тяговое усилие только благодаря взаимодействию с рабочей жидкостью, без поддержки или контакта с другими телами. По этой причине он чаще всего используется для приведения в движение самолетов, ракет и космических кораблей. 

Существует два основных класса реактивных двигателей:

  • Воздушно-реактивные двигатели это тепловые двигатели, использующие энергию окисления топлива кислородом воздуха, взятого из атмосферы. Рабочая жидкость этих двигателей представляет собой смесь продуктов сгорания с остальной частью всасываемого воздуха. 
  • Ракетные двигатели содержат все компоненты рабочей жидкости на борту и способны работать в любой среде, включая безвоздушное пространство.

Основным техническим параметром, характеризующим реактивный двигатель, является тяга (другими словами сила тяги) сила, которую двигатель развивает в направлении движения транспортного средства.

Ракетные двигатели, помимо тяги, характеризуются специфическим импульсом, который является показателем степени совершенства или качества двигателя. Эта цифра также является показателем экономии двигателя. На приведенной ниже диаграмме графически показаны верхние значения этого показателя для разных типов реактивных двигателей в зависимости от скорости полета, выраженные в виде числа Маха, что позволяет увидеть диапазон применимости каждого типа двигателя. 

Экологические проблемы тепловых двигателей

Экологический кризис, нарушение взаимосвязей внутри экосистемы или необратимые явления в биосфере, вызванные антропогенной деятельностью и угрожающие существованию человека как вида. По степени угрозы естественной жизни человека и развитию общества выделяются неблагоприятная экологическая ситуация, экологическая катастрофа и экологическая катастрофа. 

Загрязнение от тепловых двигателей:

  • Химические вещества.
  • Радиоактивный.
  • Тепловое.

Заключение

КПД тепловых двигателей составляет <40%, в результате чего более 60% тепла передается от двигателя к холодильнику. При сжигании топлива используется кислород из атмосферы, в результате чего содержание кислорода в воздухе постепенно уменьшается. 

Сгорание топлива сопровождается выбросом в атмосферу углекислого газа, азота, серной и других соединений.

Меры по предотвращению загрязнения:

  1. Снижение вредных выбросов.
  2. Контроль выхлопных газов, модификация фильтров.
  3. Сравнение эффективности и экологичности различных видов топлива, перевод транспортных средств на газовое топливо.