Семинар по теме "Тепловые двигатели" 8 класс

ПЛАН-КОНСПЕКТ УРОКА

Семинар «Тепловые двигатели».

СТРУКТУРА И ХОД УРОКА

Двигатели внутреннего сгорания, работающие на бензиновом или дизельном топливе, давно уже отнесены защитниками окружающей среды к злейшим врагам рода человеческого. И тяжелые металлы выбрасывают в атмосферу, и угарным газом народ травят, и двуокисью углерода чадят, способствуя созданию парникового эффекта. Жуть, да и только!

Несмотря на то, что двигатель внутреннего сгорания относится к относительно несовершенному типу тепловых машин благодаря своей автономности (используемое топливо содержит гораздо больше энергии, чем лучшие электрические аккумуляторы), ДВС очень широко распространены, — например, на транспорте.

История

Одним из первых указал на возможность создания ДВС Сади Карно в своей работе «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу» (1824 г.). Что особенно необходимо отметить в своей работе Карно теоретически обосновал необходимость сжатия горючей смеси перед воспламенением.

В 1860 г. французский механик Ленуар построил первый ДВС, работающий на светильном газе, но без предварительного сжатия рабочего тела. Двигатель имел низкий КПД и не получил широкого распространения.

В 1877 г. немецкий инженер Отто построил бензиновый двигатель, работа которого осуществлялась по принципу, запатентованному французом Бо-де-Роша в 1862 г.(который издал книгу "Новый принцип работы двигательных машин, в коих топливо сжигается внутри цилиндра", в которой он обосновывал принципы работы четырехтактного двигателя внутреннего сгорания.)

 В 1897 г. немецкий инженер Дизель разработал двигатель, работающий на керосине, который распылялся в цилиндре воздухом высокого давления от компрессора.

В 1904 г. русским инженером Тринклером Г.В. был построен без компрессорный двигатель со смешанным сгоранием топлива. Этот двигатель получил самое широкое распространение во всем мире.

По какому принципу работает

 1-ый такт - впуск (всасывание). Открывается впускной клапан. Поршень, двигаясь вниз, засасывает в цилиндр горючую смесь.

 2-ой такт - сжатие. Впускной клапан закрывается. Поршень, двигаясь вверх, сжимает горючую смесь, которая при сжатии нагревается.

 3-ий такт - рабочий ход. Смесь поджигается электрической искрой свечи. Сила давления газов (раскаленных продуктов сгорания) толкает поршень вниз. Движение поршня передается коленчатому валу, вал поворачивается, и тем самым совершается полезная  работа. Производя работу и расширяясь, продукты сгорания охлаждаются, давление в цилиндре падает почти до атмосферного.

 4-ый такт - выпуск (выхлоп). Открывается выпускной  клапан, отработанные продукты сгорания выбрасываются через глушитель в атмосферу.

Из четырех тактов только один - третий - является рабочим. Поэтому двигатель снабжают маховиком (инерционным двигателем, запасающим энергию), за счет которого коленчатый вал вращается в течение остальных тактов.

ДВС ДЕЛЯТСЯ:

а) по назначению — делятся на транспортные, стационарные и специальные.

б) по роду применяемого топлива — легкие жидкие (бензин, газ), тяжелые жидкие (дизельное топливо, судовые мазуты).

в) по способу образования горючей смеси — внешнее (карбюратор, инжектор) и внутреннее (в цилиндре ДВС).

г) по способу воспламенения (с принудительным зажиганием, с воспламенением от сжатия, калоризаторные).

д) по расположению цилиндров разделяют рядные, вертикальные, оппозитные с одним и с двумя коленвалами, V-образные с верхним и нижним расположением коленвала, VR-образные и W-образные, однорядные и двухрядные звездообразные, Н-образные, двухрядные с параллельными коленвалами, "двойной веер", ромбовидные, трехлучевые и некоторые другие. Разновидности

Разновидности

Газовый двигатель — двигатель внутреннего сгорания, использующий в качестве топлива, сжиженные углеводородные газы (пропан-бутан) или природный газ (метан).

Газовый двигатель работает по тепловому циклу Отто, когда теплота подводится к рабочему телу при постоянном объёме. Отличие от бензиновых двигателей, работающих по этому циклу — более высокая степень сжатия (около 17-ти). Объясняется это тем, что используемые газы имеют более высокое октановое число, чем бензин. Как правило, газовые двигатели редко выпускаются серийно, за исключением применения их для специализированных задач в науке и технике.

Для работы на транспорте используются газовые двигатели, переоборудованные из традиционных бензиновых, а с недавнего времени — после развития в Европе соответствующих технологий — и из традиционных дизельных.

Бензиновые двигатели — это класс двигателей внутреннего сгорания, в цилиндрах которых предварительно сжатая топливовоздушная смесь поджигается электрической искрой. Управление мощностью в данном типе двигателей производится, как правило, регулированием потока воздуха, посредством дроссельной заслонки.

Дизель - другой тип ДВС. Воспламенение в его цилиндрах происходит при впрыскивании топлива в воздух, предварительно сжатый поршнем и, следовательно, нагретый до высокой температуры. Это основное отличие дизеля от обычного бензинового двигателя внутреннего сгорания. Первый дизельный двигатель был построен в 1897 году немецким ученым Рудольфом Дизелем (1858-1913), по имени которого и называется.

Спектр топлива для дизелей весьма широк, сюда включаются все фракции нефтеперегонки от керосина до мазута и ряд продуктов природного происхождения — рапсовое масло, фритюрный жир, пальмовое масло и многие другие. Дизель может с определённым успехом работать и на сырой нефти.

Газодизельный двигатель

Основная порция топлива приготавливается, как в одной из разновидностей газовых двигателей, но зажигается не электрической свечой, а запальной порцией дизтоплива, впрыскиваемого в цилиндр аналогично дизельному двигателю.

Роторно-цилиндро-клапанный двигатель (RCV) — двигатель внутреннего сгорания, система газораспределения которого реализована за счёт вращения цилиндра. Цилиндр совершает вращательное движение, попеременно проходя впускной и выпускной патрубок, поршень при этом совершает возвратно-поступательные движения.

Комбинированный двигатель внутреннего сгорания

 — двигатель внутреннего сгорания, представляющий собой комбинацию из поршневой и лопаточной машин (турбина, компрессор), в котором обе машины в соотносимой мере участвуют в осуществлении рабочего процесса. Примером комбинированного ДВС служит поршневой двигатель с газотурбинным наддувом (турбонаддув). Большой вклад в теорию комбинированных двигателей внес советский инженер, профессор А. Н. Шелест.

КПД

*/Топливная эффективность /*– на эту тему внятных данных, ни в старых советских учебниках по теории и расчету ДВС, ни в бесконечных ресурсах современного интернета найти не удалось. Внятные и осмысленные данные удалось обнаружить в тех сведениях по расчету каталитических дожигателей несгоревшего топлива для современных автомобилей. Ведь им же надо четко рассчитывать производительность своих дожигателей на некий

объем поступающих несгоревших в двигателях углеводородов. Так вот, из этих данных следует, что поршневые моторы (дизели тоже) сжигают в среднем не более 75% топлива, а вот 25% паров топлива и продуктов его неполного сгорания идет в выхлопную трубу и нуждается в услугах дожигателя (чтобы не отравлять окружающую среду). Т.е. в существующих на сегодня двигателях полноценно сгорает и переводится в тепло не более 75% топлива. Для 2-х тактных двигателей это значение еще меньше.

/*Термический КПД*/ – в среднем поршневые двигатели обладают этим КПД в размере 35-40%. Т.е. около 65 % вырабатываемого тепла выбрасывается без пользы в окружающую среду через систему охлаждения и с выхлопными газами

. /*Механический КПД */– в среднем 15% работы двигателя уходит на трение между собой его деталей и на привод вспомогательных механизмов двигателя.

В итоге – по сумме термических и механических потерь современные поршневые двигатели небольших размеров и мощностей имеют КПД не более 30%. В крупных двигателях, типа судовых дизелей или больших двигателей железнодорожных локомотивов и грузовых автомобилей, энергию экономить проще, но о них мы говорить не будем.

Но – значение КПД в 30% не учитывает долю не сгоревшего топлива, т.е. не принимает во внимание полноценность сгорания паров топлива в двигателе. Полагаю, что с учетом этого параметра, значение реального КПД поршневых бензиновых двигателей будет не выше 20%, а дизелей - чуть больше, примерно на 5-7 %.

ВЫВОД

Двигатель внутреннего сгорания обладает рядом преимуществ, являющихся причиной его широкого распространения: компактность; малая масса. С другой стороны, недостатками двигателя являются: то, что он требует жидкого топлива высокого качества; невозможность получить при его помощи малую частоту вращения (при малом числе оборотов, например не работает карбюратор). Это заставляет прибегать к разного рода приспособлениям для уменьшения частоты вращения (например, к зубчатой передаче).

КПД Парой машины

Паровой двигатель, выпускающий пар в атмосферу, будет иметь практический КПД от 1 до 8 %, однако двигатель с конденсатором и расширением проточной части может улучшить КПД до 25 % и даже более. Тепловая электростанция с пароперегревателем и регенеративным водоподогревом может достичь КПД 30 — 42 %. Парогазовые установки с комбинированным циклом, в которых энергия топлива вначале используется для привода газовой турбины, а затем для паровой турбины, могут достигать коэффициента полезного действия 50 — 60 %. На ТЭЦ эффективность повышается за счёт использования частично отработавшего пара для отопления и производственных нужд. При этом используется до 90 % энергии топлива и только 10 % рассеивается бесполезно в атмосфере.

Такие различия в эффективности происходят из-за особенностей термодинамического цикла паровых машин. Например, наибольшая отопительная нагрузка приходится на зимний период, поэтому КПД ТЭЦ зимой повышается.

Паровые машины

У паровых машин очень важным свойством является то, что изотермическое расширение и сжатие происходят при постоянном давлении. Поэтому теплообменник может иметь любой размер, а перепад температур между рабочим телом и охладителем или нагревателем составляют чуть ли не 1 градус. В результате тепловые потери могут быть сведены к минимуму. Для сравнения, перепады температур между нагревателем или охладителем и рабочим телом в стирлингах может достигать 100 °C.

Преимущество паровых машин

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. Наиболее заметно это преимущество при использовании ядерной энергии, поскольку ядерный реактор не в состоянии генерировать механическую энергию, а производит только тепло, которое используется для выработки пара, приводящего в движение паровые машины. Кроме того, есть и другие источники тепла, которые не могут быть использованы в двигателях внутреннего сгорания, например, солнечная энергия. Интересным направлением является использование энергии разности температур Мирового Океана на разных глубинах.

Применение

Паровые машины использовались для привода различных типов транспортных средств, среди них:

Пароход

Сухопутные транспортные средства:

Паровой автомобиль

Паровоз

Локомобиль

Паровой трактор

Паровой экскаватор, и даже

Паровой самолёт.

В России первый действующий паровоз был построен Е. А. и М. Е. Черепановыми на Нижне-Тагильском заводе в 1834 году для перевозки руды. Он развивал скорость 13 вёрст в час и перевозил более 200 пудов груза.

Принцип действия

Паровая машина представляет собой тепловой двигатель внешнего сгорания, который конвертирует энергию пара в механическую работу возвратно-поступательного движения поршня, а потом во вращательное движение вала. В более широком значении паровая машина — это любой двигатель внешнего сгорания, который конвертирует энергию пара в механическую работу. Для привода такой паровой машины необходим паровой котёл.

Расширяющийся пар оказывает давление на поршень или на лопатки паровой турбины, их движение передаётся другим механическим частям машины. Одним из преимуществ двигателей внешнего сгорания считается использование практически любого вида топлива — от кизяка до урана. Стационарные паровые машины делятся на два типа по режиму использования.

Во-первых, это машины с переменным режимом, к ним относятся машины металлопрокатных станов, паровые лебедки и другие подобные устройства, которым приходится часто останавливаться и менять направление вращения.

Во-вторых, это силовые машины, которые редко останавливаются и не меняют направление вращения. Сюда входят энергетические двигатели на электростанциях, промышленные двигатели, которые использовались на фабриках, заводах, на кабельных железных дорогах вплоть до широкого распространения электрической тяги.

Турбостроение по существу началось только с конца 19 века, когда стала ощущаться нужда в быстроходном двигателе. Владельцы угольных копий были заинтересованы в новом паровом двигателе, так как для получения пара можно использовать уголь. В 1883 году шведский инженер Лаваль получил патент на активную паровую турбину. В паровых турбинах используется не энергия упругости пара, а кинетическая энергия струи пара. Когда пар вытекает из котла через расширяющееся сопло, объем, пара увеличивается, а давление падает. Следовательно, потенциальная  энергия пара уменьшится, а кинетическая энергия увеличится. Пар выходит из сопла с большой скоростью. В турбине Лаваля против сопла C расположены лопатки L, укрепленные по ободу диска  по ободу диска B. Выходящий из сопла пар попадает в каналы, образуемые лопатками. Здесь он теряет часть своей кинетической энергии, она идёт на приведения диска B  вместе с валом A во вращательное движение.    

У первых паровых турбин был существенный недостаток: из-за огромной скорости струи пара скорость вращения диска турбины была излишне велика. Например, турбина мощностью 7,5 кВт имела диск диаметром 10-15 см, который делал в минуту 30тыс, оборотов. С большинством рабочих машин её можно было соединить только после снижения скорости вращения; для этого существовала система зубчатых колёс, занимавших гораздо больше места, чем сама турбина.

v  КПД 40%

v  вал паровой турбины вращается плавно и равномерно;

v   турбина занимает мало места;

v   вода получаемая при конденсации , очень чиста, что весьма важно для питания паровых котлов.

Применение ступеней скорости.  На диске турбины укрепляют не один ряд лопаток, а больше. На рисунке  подвижные рабочие лопатки 1 и 3 из  рядов, их скорость относительно земли V², а скорость струи пара, выходящего из сопла,V1. Лопатка 1 получает только половину кинетической энергии струи пара, и скорость струи пара становится меньше V³. Затем струя пара попадает на неподвижную направляющую лопатку 2, причем изменяется только направление движения струи. Далее струя попадает на подвижную  рабочую лопатку  3, которой пар отдает вторую  половину энергии  и с небольшой скоростью Vº выходит наружу..  

Применение ступеней давления. Сущность этого способа такова. Пар расщиряется в сопле не полностью; поскольку в кинетическую энергия преобразуется только часть потенциальной энергии пара, то и скорость получается ограниченной. После отдачи части энергии лопатками первой ступени пар снова входит в расширяющееся сопло, где в кинетическую энергию превращается еще некоторая часть потенциальной энергии пара. Давление падает ступеньками в каждом ряде сопел, а скорость в каждом ряде рабочих лопаток.

Быстрыми темпами росла мощность турбин, изготовляемых для тепловых электростанций. Чем больше мощность паровой турбины и приводимого ею в действие генератора электрического тока, тем меньше затрат труда и материалов требует строительство электростанций заданной мощности  и тем ниже стоимость одного киловатта мощности работающей станции.

В настоящее время паровые турбины находят широкое применение. Они являются почти единственным тепловым двигателем на мощных тепловых электростанциях, служат основным двигателем на крупных судах. Турбины средних и даже небольших мощностей применяют для привода насосов, воздуходувок в действие.

Липецкая ТЭЦ-2 была введена в эксплуатацию в 1978 году. За 30 лет работы она прошла несколько этапов модернизации. Сегодня ее установленная электрическая мощность составляет 515 МВт, тепловая - 1002 Гкал/ч. Липецкая ТЭЦ-2 является одной из самых крупных теплоэлектростанций Черноземья. Она обеспечивает теплом более 100 тысяч жителей и порядка 10-и крупных промышленных предприятий Липецка и Липецкого региона.