История создания тепловых двигателей

 

История создания тепловых двигателей

В древности люди приводили в действие простейшие механизмы руками или с помощью животных. Затем они научились использовать силу ветра, плавая на парусных кораблях. Они научились так же использовать ветер для вращения ветряных мельниц, перемалывающих зерно в муку. Позже они стали применять энергию течения воды в реках для вращения водяных колес. Эти колеса перекачивали и поднимали воду или приводили в действие различные механизмы. История появления тепловых двигателей уходит в далекое прошлое. Говорят, еще две с лишним тысячи лет назад, в III веке до нашей эры, великий греческий механик и математик Архимед построил пушку, которая стреляла с помощью пара. Рисунок пушки Архимеда и ее описание были найдены спустя 18 столетий в рукописях великого итальянского ученого, инженера и художника Леонардо да Винчи. Как же стреляла эта пушка? Один конец ствола сильно нагревали на огне. Затем в нагретую часть ствола наливали воду. Вода мгновенно испарялась и превращалась в пар. Пар, расширяясь, с силой и грохотом выбрасывал ядро. Для нас интересно здесь то, что ствол пушки представлял собой цилиндр, по которому как поршень скользило ядро.

Примерно тремя столетиями позже в Александрии культурном и богатом городе на африканском побережье Средиземного моря жил и работал выдающийся ученый Герон, которого историки называют Героном Александрийским. Герон оставил несколько сочинений, дошедших до нас, в которых он описал различные машины, приборы, механизмы, известные в те времена. В сочинениях Герона есть описание интересного прибора, который сейчас называют Героновым шаром. Он представляет собой полый железный шар, закрепленный так, что может вращаться вокруг горизонтальной оси. Из закрытого котла с кипящей водой пар по трубке поступает в шар, из шара он вырывается наружу через изогнутые трубки, при этом шар приходит во вращение. Внутренняя энергия пара превращается в механическую энергию вращения шара. Геронов шар это прообраз современных реактивных двигателей. Он представляет собой полый железный шар, закрепленный так, что может вращаться вокруг горизонтальной оси. Из закрытого котла с кипящей водой пар по трубке поступает в шар, из шара он вырывается наружу через изогнутые трубки, при этом шар приходит во вращение. Внутренняя энергия пара превращается в механическую энергию вращения шара. Геронов шар это прообраз современных реактивных двигателей.

В то время изобретение Герона не нашло применения и осталось только забавой. Прошло 15 столетий. Во времена нового расцвета науки и техники, наступившего после периода средневековья, об использовании внутренней энергии пара задумывается Леонардо да Винчи. В его рукописях есть несколько рисунков с изображением цилиндра и поршня. Под поршнем в цилиндре находится вода, а сам цилиндр подогревается. Леонардо да Винчи предполагал, что образовавшийся в результате нагрева воды пар, расширяясь и увеличиваясь в объеме, будет искать выход и толкать поршень вверх. Во время своего движения вверх поршень мог бы совершать полезную работу. Несколько иначе представлял себе двигатель, использующий энергию пара, Джованни Бранка, живший на век позже великого Леонардо. Это было колесо с лопатками, в которое с силой ударяла струя пара, благодаря чему колесо начинало вращаться. По существу, это была первая паровая турбина. Несколько иначе представлял себе двигатель, использующий энергию пара, Джованни Бранка, живший на век позже великого Леонардо. Это было колесо с лопатками, в которое с силой ударяла струя пара, благодаря чему колесо начинало вращаться. По существу, это была первая паровая турбина.

В XVII-XVIII веках над изобретением паровой машины трудились англичане Томас Севери (1650-1715) и Томас Ньюкомен (1663-1729), француз Дени Папен (1647-1714), русский ученый Иван Иванович Ползунов (1728-1766) и многие другие. В своем новом двигателе Папен вместо пороха использовал воду. Ее наливали в цилиндр под поршень, а сам цилиндр разогревали снизу. Образующийся пар поднимал поршень. Затем цилиндр охлаждали, и находящийся в нем пар конденсировался снова превращался в воду. Поршень, как и в случае порохового двигателя, под действием своего веса и атмосферного давления опускался вниз. Этот двигатель работал лучше, чем пороховой, но для серьезного практического использования был также малопригоден: нужно было подводить и отводить огонь, подавать охлажденную воду, ждать, пока пар сконденсируется, перекрывать воду и т.п.

Англичанин Томас Севери построил паровой насос для откачки воды из шахты. В его машине приготовление пара происходило вне цилиндра в котле. Вслед за Севери паровую машину (также приспособленную для откачивания воды из шахты) сконструировал английский кузнец Томас Ньюкомен. Он умело использовал многое из того, что было придумано до него. Ньюкомен взял цилиндр с поршнем Папена, но пар для подъема поршня получал, как и Севери, в отдельном котле. Вслед за Севери паровую машину (также приспособленную для откачивания воды из шахты) сконструировал английский кузнец Томас Ньюкомен. Он умело использовал многое из того, что было придумано до него. Ньюкомен взял цилиндр с поршнем Папена, но пар для подъема поршня получал, как и Севери, в отдельном котле. Машина Ньюкомена, как и все ее предшественницы, работала прерывисто между двумя рабочими ходами поршня была пауза. Высотой она была с четырех-пятиэтажный дом и, следовательно, исключительно «прожорлива»: пятьдесят лошадей еле-еле успевали подвозить ей топливо. Обслуживающий персонал состоял из двух человек: кочегар непрерывно подбрасывал уголь в «ненасытную пасть» топки, а механик управлял кранами, впускающими пар и холодную воду в цилиндр.

Понадобилось еще 50 лет, прежде чем был построен универсальный паровой двигатель. Это произошло в России, на одной из отдаленных ее окраин Алтае, где в то время работал гениальный русский изобретатель, солдатский сын Иван Ползунов. Ползунов построил свою «огнедействующую машину» на одном из барнаульских заводов. Это изобретение было делом его жизни и, можно сказать, стоило ему жизни. В апреле 1763 года Ползунов заканчивает расчеты и подает проект на рассмотрение. В отличие от паровых насосов Севери и Ньюкомена, о которых Ползунов знал, и недостатки которых ясно осознавал, это был проект универсальной машины непрерывного действия. Машина предназначалась для воздуходувных мехов, нагнетающих воздух в плавильные печи. Главной ее особенностью было то, что рабочий вал качался непрерывно, без холостых пауз. Это достигалось тем, что Ползунов предусмотрел вместо одного цилиндра, как это было в машине Ньюкомена, два попеременно работающих. Пока в одном цилиндре поршень под действием пара поднимался вверх, в другом пар конденсировался, и поршень шел вниз. Оба поршня были связаны одним рабочим валом, который они поочередно поворачивали то в одну, то в другую стороны. Рабочий ход машины осуществлялся не за счет атмосферного давления, как у Ньюкомена, а благодаря работе пара в цилиндрах. Весной 1766 года ученики Ползунова, спустя неделю после его смерти (он умер в 38 лет), испытали машину. Она работала в течение 43 суток и приводила в движение мехи трех плавильных печей. Потом котел дал течь; кожа, которой были обтянуты поршни (чтобы уменьшить зазор между стенкой цилиндра и поршнем), истерлась, и машина остановилась навсегда. Больше ею никто не занимался.

Создателем универсального парового двигателя, который получил широкое распространение, стал английский механик Джеймс Уатт (1736-1819). Работая над усовершенствованием машины Ньюкомена, он в 1784 году построил двигатель, который годился для любых нужд. Изобретение Уатта было принято на ура. В наиболее развитых странах Европы ручной труд на фабриках и заводах все больше и больше заменялся работой машин. Универсальный двигатель стал необходим производству, и он был создан. Работая над усовершенствованием машины Ньюкомена, он в 1784 году построил двигатель, который годился для любых нужд. Изобретение Уатта было принято на ура. В наиболее развитых странах Европы ручной труд на фабриках и заводах все больше и больше заменялся работой машин. Универсальный двигатель стал необходим производству, и он был создан. В двигателе Уатта применен так называемый кривошипно-шатунный механизм, преобразовывающий возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение колеса. Уже потом было придумано «двойное действие» машины: направляя поочередно пар то под поршень, то сверху поршня, Уатт превратил оба его хода (вверх и вниз) в рабочие. Машина стала мощнее. Пар в верхнюю и нижнюю части цилиндра направлялся специальным парораспределительным механизмом, который впоследствии был усовершенствован и назван «золотником». Затем Уатт пришел к выводу, что вовсе не обязательно все время, пока поршень движется, подавать в цилиндр пар. Достаточно впустить в цилиндр какую-то порцию пара и сообщить поршню движение, а дальше этот пар начнет расширяться и перемещать поршень в крайнее положение. Это сделало машину экономичней: меньше требовалось пара, меньше расходовалось топлива.

 

 

Виды тепловых двигателей

 

К тепловым двигателям относятся: паровая машина, двигатель внутреннего сгорания, паровая и газовая турбины, реактивный двигатель. Их топливом является твёрдое и жидкое топливо, солнечная и атомная энергии.

 

Паровая машина — тепловой двигатель внешнего сгорания, преобразующий энергию нагретого пара в механическую работу возвратно-поступательного движения поршня, а затем во вращательное движение вала. В более широком смысле паровая машина — любой двигатель внешнего сгорания, который преобразовывает энергию пара в механическую работу. Для привода паровой машины необходим паровой котёл. Расширяющийся пар давит на поршень или на лопатки паровой турбины, движение которых передаётся другим механическим частям. Одно из преимуществ двигателей внешнего сгорания в том, что из-за отделения котла от паровой машины они могут использовать практически любой вид топлива — от дров до урана. 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 (обычно паровые турбины). 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. Подобными свойствами также обладают другие типы двигателей внешнего сгорания, такие как двигатель Стирлинга, которые могут обеспечить весьма высокую эффективность, но имеют существенно большие вес и размеры, чем современные типы паровых двигателей.

 

Двигатель внутреннего сгорания (сокращённо ДВС)

 В  качестве энергетических

установок автомобилей наибольшее распространение получили двигатели

внутреннего  сгорания,  в которых процесс сгорания

топлива с выделением теплоты и превращением ее в  механическую  работу

происходит  непосредственно  в  цилиндрах.  На большинстве современных

автомобилей установлены двигатели внутреннего сгорания.

Наиболее экономичными являются поршневые и комбинированные двигатели

внутреннего сгорания.  Они  имеют  достаточно большой  срок службы,

сравнительно  небольшие габаритные размеры и массу.  Основным недостатком

этих двигателей следует считать  возвратно-поступательное движение   поршня,

связанное  с наличием  кривошатунного  механизма, усложняющего  конструкцию

и  ограничивающего  возможность   повышения частоты вращения, особенно при

значительных размерах двигателя.

А теперь  немного  о  первых  ДВС.  Первый  двигатель   внутреннего сгорания

(ДВС)  был  создан  в 1860 г.  французским инженером Этвеном Ленуаром, но эта

машина была еще весьма несовершенной.

В 1862   г.   французский   изобретатель   Бо де Роша  предложил использовать

в двигателе внутреннего сгорания четырехтактный цикл:

1.     всасывание;

2.     сжатие;

3.     горение и расширение;

4.     выхлоп.

Эта идея была использована немецким изобретателем Н.Отто, построившим в 1878

г. первый  четырехтактный  двигатель  внутреннего  сгорания.  КПД  такого

двигателя достигал 22%,  что  превосходило  значения,  полученные  при

использовании двигателей всех предшествующих типов.

Быстрое распространение ДВС  в  промышленности,  на  транспорте,  в сельском

хозяйстве и стационарной энергетике была обусловлена рядом их положительных

особенностей.

Осуществление рабочего цикла ДВС в одном цилиндре с малыми потерями и

значительным  перепадом  температур  между  источником  теплоты и

холодильником  обеспечивает  высокую  экономичность  этих  двигателей.

Высокая экономичность - одно из положительных качеств ДВС.

Среди ДВС  дизель  в  настоящее  время  является  таким двигателем, который

преобразует химическую энергию топлива в механическую работу с наиболее

высоким  КПД  в  широком  диапазоне изменения мощности.  Это качество дизелей

особенно важно,  если  учесть,  что  запасы  нефтяных топлив ограничены.

К положительным особенностям ДВС стоит отнести также  то,  что  они могут

быть  соединены  практически с любым потребителем энергии.  Это объясняется

широкими   возможностями    получения    соответствующих характеристик

изменения мощности и крутящего момента этих двигателей. Рассматриваемые

двигатели  успешно   используются на автомобилях, тракторах,

сельскохозяйственных    машинах, тепловозах, судах, электростанциях и т.д.,

т.е. ДВС отличаются хорошей приспособляемостью к потребителю.

Сравнительно невысокая начальная стоимость,  компактность  и  малая масса

ДВС  позволили  широко  использовать  их на силовых установках, находящих

широкое применение и имеющих  небольшие  размеров  моторного отделения.

Установки с ДВС обладают большой автономностью. Даже самолеты с ДВС могут

летать десятки часов без пополнения горючего.

Важным положительным качеством ДВС является возможность их быстрого пуска   в

обычных   условиях.   Двигатели,   работающие  при  низких температурах,

снабжаются специальными устройствами для  облегчения  и ускорения  пуска.

После  пуска  двигатели  сравнительно  быстро могут принимать  полную

нагрузку.  ДВС  обладают   значительным   тормозным моментом,  что  очень

важно  при  использовании  их  на  транспортных установках.

Положительным качеством   дизелей   является   способность   одного двигателя

работать  на  многих  топливах.  Так  известны  конструкции автомобильных

многотопливных  двигателей,  а также судовых двигателей большой  мощности,

которые  работают  на  различных  топливах  -   от дизельного до котельного

мазута.

Но наряду  с   положительными   качествами   ДВС   обладают   рядом

недостатков.  Среди них ограниченное по сравнению, например с паровыми и

газовыми  турбинами  агрегатная  мощность,  высокий  уровень  шума,

относительно  большая  частота  вращения  коленчатого вала при пуске и

невозможность непосредственного соединения  его  с  ведущими  колесами

потребителя,  токсичность  выхлопных  газов,  возвратно-поступательное

движение поршня, ограничивающие частоту вращения и являющиеся причиной

появления неуравновешенных сил инерции и моментов от них.

Но невозможно было бы создание двигателей внутреннего сгорания,  их развития

и применения,  если бы не эффект теплового расширения. Ведь в процессе

теплового расширения нагретые  до  высокой  температуры  газы совершают

полезную  работу.  Вследствие  быстрого  сгорания  смеси  в цилиндре

двигателя внутреннего сгорания,  резко  повышается  давление, под

воздействием которого происходит перемещение поршня в цилиндре. А это-то и

есть та самая нужная технологическая  функция,  т.е.  силовое воздействие,

создание  больших  давлений, которую выполняет тепловое расширение,  и  ради

которой  это  явление  применяют   в   различных технологиях и в частности в

ДВС.

 

Газовая турбина — это тепловой двигатель непрерывного действия, в лопаточном аппарате которого энергия сжатого и нагретого газа преобразуется в механическую работу на валу. Состоит из компрессора, соединённого напрямую с турбиной, и камерой сгорания между ними. (Термин Газовая турбина может также относится к самому элементу турбина.)Сжатый атмосферный воздух из компрессора поступает в камеру сгорания, где смешивается с топливом и происходит возгорание смеси. В результате сгорания возрастает температура, скорость и объём потока газа. Далее энергия горячего газа преобразуется в работу. При входе в сопловую часть турбины горячие газы расширяются, и их тепловая энергия преобразуется в кинетическую. Затем, в роторной части турбины, кинетическая энергия газов заставляет вращаться ротор турбины. Часть мощности турбины расходуется на работу компрессора, а оставшаяся часть является полезной выходной мощностью. Газотурбинный двигатель приводит во вращение находящийся с ним на одном валу высокоскоростной генератор. Работа, потребляемая этим агрегатом, является полезной работой ГТД. Энергия турбины используется в самолётах, поездах, кораблях и танках.

Преимущества газотурбинных двигателей

· Очень высокое отношение мощности к весу, по сравнению с поршневым двигателем;

· Высокий КПД на максимальных оборотах, чем у поршневых двигателей.

· Перемещение только в одном направлении, с намного меньшей вибрацией, чем у поршневого двигателя.

· Меньшее количество движущихся частей, чем у поршневого двигателя.

· Низкие эксплуатационные нагрузки.

· Высокая скорость вращения.

· Низкая стоимость и потребление смазочного масла.

Недостатки газотурбинных двигателей

· Стоимость намного больше, чем у аналогичных по размерам поршневых двигателей, поскольку материалы должны быть более крепкие и жаропрочные.

· Машинные операции также более сложные;

· Как правило, имеют меньший КПД, чем поршневые двигатели, на холостом ходу.

· Задержка отклика на изменения настроек мощности.

Эти недостатки объясняют, почему дорожные транспортные средства, которые меньше, дешевле и требуют менее регулярного обслуживания, чем танки, вертолеты, крупные катера и так далее, не используют газотурбинные двигатели, несмотря на неоспоримые преимущества в размере и мощности.

 

Паровая турбина представляет собой серию вращающихся дисков, закрепленных на единой оси, называемых ротором турбины, и серию чередующихся с ними неподвижных дисков, закрепленных на основании, называемых статором. Диски ротора имеют лопатки на внешней стороне, пар подается на эти лопатки и крутит диски. Диски статора имеют аналогичные лопатки, установленные под противоположным углом, которые служат для перенаправления потока пара на следующие за ними 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 той скорости и давления, который в нее подается. Выходящий из турбины отработанный пар поступает в конденсатор. Турбины вращаются с очень высокой скоростью, и поэтому при передаче вращения на другое оборудование обычно используются специальные понижающие трансмиссии. Кроме того, турбины не могут изменять направление своего вращения, и часто требуют дополнительных механизмов реверса (иногда используются дополнительные ступени обратного вращения). Турбины превращают энергию пара непосредственно во вращение и не требуют дополнительных механизмов преобразования возвратно-поступательного движения во вращение. Кроме того, турбины компактнее возвратно-поступательных машин и имеют постоянное усилие на выходном валу. Поскольку турбины имеют более простую конструкцию, они, как правило, требуют меньшего обслуживания. Основной сферой применения паровых турбин является выработка электроэнергии (около 86% мирового производства электроэнергии производится паровыми турбинами), кроме того, они часто используются в качестве судовых двигателей (в том числе на атомных кораблях и подводных лодках). Было также построено некоторое количество паротурбовозов, но они не получили широкого распространения и были быстро вытеснены тепловозами и электровозами.

 

Реактивный двигатель — двигатель, создающий необходимую для движения силу тяги посредством преобразования исходной энергии в кинетическую энергию реактивной струи рабочего тела. Рабочее тело с большой скоростью истекает из двигателя, и в соответствии с законом сохранения импульса образуется реактивная сила, толкающая двигатель в противоположном направлении. Для разгона рабочего тела может использоваться как расширение газа, нагретого тем или иным способом до высокой температуры (т.н. тепловые реактивные двигатели ), так и другие физические принципы, например, ускорение заряженных частиц в электростатическом поле. Реактивный двигатель сочетает в себе собственно двигатель с движителем, то есть, он создаёт тяговое усилие только за счёт взаимодействия с рабочим телом, без опоры или контакта с другими телами. По этой причине чаще всего он используется для приведения в движение самолётов, ракет и космических аппаратов.

Существует два основных класса реактивных двигателей:

· Воздушно-реактивные двигатели — тепловые двигатели, которые используют энергию окисления горючего кислородом воздуха, забираемого из атмосферы. Рабочее тело этих двигателей представляет собой смесь продуктов горения с остальными компонентами забранного воздуха.

· Ракетные двигатели — содержат все компоненты рабочего тела на борту и способны работать в любой среде, в том числе и в безвоздушном пространстве.

 

 

Основным техническим параметром, характеризующим реактивный двигатель, является тяга (иначе — сила тяги) — усилие, которое развивает двигатель в направлении движения аппарата. 
Ракетные двигатели помимо тяги характеризуются удельным импульсом, являющимся показателем степени совершенства или качества двигателя. Этот показатель является также мерой экономичности двигателя. В приведённой ниже диаграмме в графической форме представлены верхние значения этого показателя для разных типов реактивных двигателей, в зависимости от скорости полёта, выраженной в форме числа Маха, что позволяет видеть область применимости каждого типа двигателей.

 

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 экологическое бедствие экологическая катастрофа

 

Загрязнения от тепловых двигателей:

1. Химическое.

2. Радиоактивное.

3. Тепловое.

 

ВОЗДЕЙСТВИЕ ТРАНСПОРТА НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ ВОЗДУХ

Вредные вещества в отработанных газах твердые частицы, поднимаемые с пылью колесами автомашин ВОДА стоки с автомоек, стоянок, гаражей, АЗС, дорог хлориды, используемые для борьбы с гололедом ПОЧВА отходы, загрязненные нефтепродуктами сажевые частицы, образовавшиеся при стирании шин.

 

 

ЗАГРЯЗНЕНИЕ ОТ ТЕПЛОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ КПД

 

тепловых двигателей < 40%, в следствии чего больше 60% теплоты двигатель отдаёт холодильнику .При сжигании топлива используется кислород из атмосферы, вследствие чего содержание кислорода в воздухе постепенно уменьшается Сжигание топлива сопровождается выделением в атмосферу углекислого газа, азотных, серных и других соединений

«Раньше природа устрашала человека, а теперь человек устрашает природу» 1 т бензина, сгорая, выделяет 500-800 кг вредных веществв атмосферу ежегодно выбрасывается 5 млрд. т CO2в состав выхлопных газов входит 1200 компонентов, в том числе оксид углерода, оксиды азота, углеводороды, альдегиды, оксиды металлов (наиболее вредный - оксид свинца), сажа и пр.

 

МЕРЫ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ЗАГРЯЗНЕНИЙ

Снижение вредных выбросов. Контроль за выхлопными газами, модификация фильтров. Сравнение эффективности и экологической безвредности различных видов топлива, перевод транспорта на газовое топливо.

Содержание вредных веществ в отработавших газах при испытаниях автомобиля (без нейтрализатора) по ездовому циклу

Тепловые двигатели, поглощая столь необходимый для протекания жизни кислород, вместе с тем интенсивно загрязняет воздушную среду токсичными компонентами, наносящими ощутимый вред всему живому и неживому. Их вклад в загрязнение окружающей среды, в основном атмосферы составляет – 60 - 90%.

 

 

Меры предотвращения загрязнений:

1. Снижение вредных выбросов.

2. Контроль за выхлопными газами, модификация фильтров.

3. Сравнение эффективности и экологической безвредности различных видов топлива, перевод транспорта на газовое топливо.

Перспективы использования электрических двигателей, пневмокаров, транспорта на солнечных батареях