поршней передавалось мехам для трех медеплавильных печей.
Постройка машины Ползунова была закончена в августе 1766 г. Она имела
высоту 11 м, емкость котла 7 м3, высоту цилиндров 2,8 м, мощность 29 кВт.
Машина Ползунова создавала непрерывное усилие и была первой универсальной
машиной, которую можно было применять для приведения в движение любых
заводских механизмов.
В паровой машине Д. Уатта два цилиндра были заменены одним закрытым. Пар
поступал попеременно по обе стороны поршня, толкая его то в одну, то в
другую сторону. В такой машине двойного действия отработавший пар
конденсировался не в цилиндре, а в отдельном от него сосуде — конденсаторе.
Постоянство числа оборотов маховика поддерживалось центробежным
регулятором. Разработка парового двигателя была завершена Д. Уаттом в 1784
г.
Главным недостатком первых паровых машин был низкий КПД. У паровозов КПД
не превышал 9%.
Паровая турбина и ТЭЦ. Значительного повышения КПД удалось достигнуть в
результате изобретения паровой турбины.
Первая паровая турбина, нашедшая практическое применение, была
изготовлена шведским инженером Густавом Лавалем в 1889 г. Для работы
паровой турбины за счет энергии, освобождаемой при сжигании каменного угля
или мазута, вода в котле нагревается и превращается в пар. Пар нагревается
до температуры более 500 °С и при высоком давлении выпускается из котла
через сопло. При выходе пара внутренняя энергия нагретого пара
преобразуется в кинетическую энергию струи пара. Скорость струи пара может
достигнуть 1000 м/с. Струя пара направляется на лопатки турбины и приводит
турбину во вращение. На одном валу с турбиной находится ротор
электрического генератора. Таким образом энергия топлива в конечном счете
преобразуется в электрическую энергию.
Современные паровые турбины обладают высоким КПД преобразования
кинетической энергии струи пара в механическую энергию, превышающим 90%.
Поэтому электрические генераторы практически всех тепловых и атомных
электростанций мира, дающие более 80% всей вырабатываемой электроэнергии,
приводятся в действие паровыми турбинами.
Температура пара, применяемого в современных паротурбинных установках, не
превышает 580 °С (температура нагревателя Т1=853 К), а температура пара на
выходе из турбины обычно не ниже 30 °С (температура холодильника Т2=303 К);
поэтому максимальное значение КПД паротурбинной установки как тепловой
машины равно:
а реальные значения КПД паротурбинных конденсационных электростанций
составляют лишь около 40%.
Мощность современных энергоблоков котел — турбина — генератор достигает
1,2*106 кВт.
Для повышения КПД на многих электростанциях тепло, отбираемое от паровой
турбины, используется для нагревания воды. Горячая вода поступает в систему
бытового и промышленного теплоснабжения.
Коэффициент полезного использования топлива в такой теплоэлектроцентрали
(ТЭЦ) повышается до 60—70%.
Тепловые машины и транспорт. Различные виды тепловых машин являются
основой современного транспорта. Тепловые машины приводят в движение
автомобили и тепловозы, речные и морские корабли, самолеты и космические
ракеты. Одной из наиболее распространенных тепловых машин, используемых в
различных транспортных средствах, является двигатель внутреннего сгорания.
Двигатель внутреннего сгорания. Среди способов увеличения КПД тепловых
двигателей один оказался особенно эффективным. Сущность его состояла в
устранении части потерь теплоты перенесением места сжигания топлива и
нагревания рабочего тела внутрь цилиндра.
Отсюда и происхождение названия — «двигатель внутреннего сгорания».
Первый двигатель внутреннего сгорания был создан в 1860 г. Французским
инженером Этье-ном 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 изобретателей Н. Отто, построившим в 1878 г. первый четырехтактный
газовый двигатель внутреннего сгорания. КПД этого двигателя достигал 22%,
что превосходило значения, полученные при использовании двигателей всех
предшествующих типов.
Развитие нефтяной промышленности в конце XIX в. дало новые виды топлива —
керосин и бензин. 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.
Для полного сгорания в составе смеси на один килограмм бензина должно
приходиться не менее пятнадцати килограммов воздуха. Это означает, что
рабочим телом в двигателях внутреннего сгорания фактически является воздух,
а не пары бензина. В отличие от паровых машин здесь топливо сжигается для
нагревания газа, а не для превращения жидкости в пар. Правда, наряду с
нагреванием воздуха происходит и частичное изменение его состава: вместо
молекул кислорода появляется несколько большее количество молекул
углекислого газа и водяного пара. Азот, составляющий более ѕ воздуха,
испытывает лишь нагревание.
[pic]
Впуск Сжатие Рабочий ход Выхлоп
Рис. 1
При движении поршня от верхнего положения до нижнего через выпускной клапан
происходит засасывание горучей смеси в цилиндр (рис.1). Этот процесс
происходит при постоянном давлении. При обратном ходе поршня начинается
сжатие горючей смеси. Сжатие происходит быстро, и поэтому процесс близок к
адиабатическому.
В конце такта сжатия происходит воспламенение горючей смеси электрической
искрой. Быстрое сгорание паров бензина сопровождается передачей рабочему
телу — воздуху — количества тепла, резким возрастанием температуры,
давления воздуха и продуктов сгорания. За короткое время горения смеси
поршень практически не изменяет своего положения в цилиндре, поэтому
процесс нагревания газа в цилиндре можно считать изохорическим.
Под действием давления горячих газов поршень совершает рабочий ход, газы
адиабатически расширяются от объема vi до объема V2.
В конце рабочего такта открывается выпускной клапан и рабочее тело
соединяется с окружающей атмосферой. Выпуск отработанных газов
сопровождается передачей количества тепла Q2 окружащему воздуху, играющему
роль охладителя.
Для поршневых двигателей внутреннего сгорания важной характеристикой,
определяющей полноту сгорания топлива и значительно влияющей на величину
КПД, является степень сжатия горючей смеси:
где V2 и V1 — объемы в начале и в конце сжатия. С увеличением степени
сжатия возрастает начальная температура горючей смеси в конце такта сжатия,
что способствует более полному ее сгоранию. В карбюраторных двигателях
увеличению степени сжатия выше 8—9 препятствует самовоспламенение
(детонация) горючей смеси, происходящее еще до того, как поршень достигнет
верхней мертвой точки. Это явление оказывает разрушающее действие на
двигатель и снижает его мощность и КПД. Достигнуть высоких степеней сжатия
без детонации удалось увеличением скорости движения поршня при повышении
числа оборотов двигателя до 5—6 тыс. об/мин и применением бензина со
специальными антидетонационными присадками.
Карбюраторные двигатели внутреннего сгорания широко применяются в
автомобильном транспорте. Они приводят в движение почти все легковые и
многие грузовые автомобили.
Двигатель Дизеля. Для дельнейшего повышения КПД двигателя внутреннего
сгорания в 1892 г. немецкий инженер Рудольф Дизель предложил испсльзовать
еще большие степени сжатия рабочего тела.
Высокая степень сжатия без детонации достигается в двигателе Дизеля за
счет того, что сжатию подвергается не горючая смесь, а только воздух. По
окончании процесса сжатия в цилиндр впрыскивается горючее. Для его
зажигания не требуется никакого специального устройства, так как при
высокой степени адиабатического сжатия воздуха его температура повышается
до 600 — 700 С. Горючее, впрыскиваемое с помощью топливного насоса через
форсунку, воспламеняется при соприкосновении с раскаленным воздухом.
Подача топлива управляется особым регулятором, в результате чего процесс
горения протекает не столь кратковременно, как в карбюраторном двигателе, а
происходит изобарно, а затем адиабатно. При обратном движении поршня
осуществляется выхлоп.
Современные дизели имеют степень сжатия (=16 — 21 и КПД около 40%. Более
высокий коэффициент полезного действия дизельных двигателей обусловлен тем,
что вследствие более высокой степени сжатия начальная температура горения
смеси (480— 630 °С) у них выше, чем у карбюраторных двигателей (330— 480
°С). Этим обеспечивается более полное сгорание дизельного топлива.
Дизельные двигатели используются в мощных грузовых автомобилях, тракторах,
на судах речного и морского транспорта, тепловозах.
Газовая турбина. Все более широкое применение в современном транспорте
получают газотурбинные двигатели. Газотурбинная установка состоит из
воздушного компрессора 1, камер сгорания 2 и газовой турбины 3 (рис. 2).
Компрессор состоит из ротора, укрепленного на одной оси с турбиной, и
неподвижного направляющего аппарата.
При работе турбины ротор компрессора вращается. Лопатки ротора имеют такую
форму, что при их вращении давление перед компрессором понижается, а за ним
повышается. Воздух засасывается в компрессор, несколько ступеней лопаток
компрессора обеспечивают повышение давления воздуха в 5—7 раз.
Процесс сжатия протекает адиабатно, поэтому температура воздуха
повышается до температуры 200 °С и более.
Сжатый воздух поступает в камеру сгорания. Одновременно через форсунку в
нее впрыскивается под большим давлением жидкое топливо — керосин, мазут.
При горении топлива воздух, служащий рабочим телом, получает некоторое
количество тепла и нагревается до температуры 1500— 2200 °С. Нагревание
воздуха происходит при постоянном давлении, поэтому воздух расширяется и
скорость его движения увеличивается.
Рис. 2
Движущийся с большой скоростью воздух и продукты горения направляются в
турбину. Переходя от ступени к ступени, они отдают свою кинетическую
энергию лопаткам турбины. Часть полученной турбиной энергии расходуется на
вращение компрессора, а остальная используется для вращения винта самолета,
винта морского корабля или колес автомобиля.
Вместо вращения винта самолета, теплохода или ротора электрогенератора
газовая турбина может быть использована как реактивный двигатель. Воздух и
продукты горения выбрасываются из газовой турбины с большой скоростью.
Реактивная сила тяги, возникшая при этом, может быть использована для
движения самолета, теплохода или железнодорожного транспорта.
Турбореактивными двигателями оборудованы известные всему миру самолеты ИЛ-
62, ТУ-154.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В заключении хотелось бы отметить о взаимодействии тепловых машин и
окружающей средой. Непрерывное развитие энергетики, автомобильного и других
видов транспорта, возрастание потребления угля, нефти и газа в
промышленности и на бытовые нужды увеличивает возможности удовлетворения
жизненных потребностей человека. 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 сре-ДУ связано с
действием разных факторов.
Во-первых, при сжигании топлива используется кислород из атмосферного
воздуха, поэтому содержание кислорода в воздухе постепенно уменьшается.
Если в России пока количество кислорода, производимого лесами, превышает
количество кислорода, потребляемого промышленностьо, то, например, в США
леса восстанавливают лишь 60% используемого промышленностью кислорода.
Во-вторых, сжигание топлива сопровождается выделением в атмосферу
углекислого газа. За последние двадцать лет содержание углекислого газа в
атмосфере Земли увеличилось примерно на 5%.
Молекулы оксида углерод способны поглощать инфракрасное излучение. Поэтому
увеличение содержания углекислого газа в атмосфере изменяет ее
прозрачность. Инфракрасное излучений, испускаемое земной поверхностью, все
в большей мере поглощается в атмосфере. Дальнейшее существенное увеличение
концентрации углекислого газа в атмосфере может привести к повышению ее
температуры.
В-третьих, при сжигании угля и нефти атмосфера загрязняется азотными и
серными соединениеями, вредными для здоровья человека. Особенно существенно
это загрязнение в крупных городах и промышленных центрах.
Более половины всех загрязнений атмосферы создает транспорт. Кроме оксида
углерода и соединений азота, автомобильная двигатели ежегодно выбрасывают в
атмосферу 2—3 млн. т свинца. Соединения свинца добавляют в автомобильный
бензин для предотвращения детонации топлива в двигателе, т.е. слишком
быстрого сгорания топлива, приводящего к снижению мощности двигателя и его
быстрому износу. Так как автомобильные двигатели играют решающую роль в
загрязнении атмосферы в городах, проблема существенного усовершенствования
автомобильного двигателя представляет одну из наиболее актуальных научно-
технических проблем.
Один из путей уменьшения загрязнения окружающей среды – переход от
использования в автомобилях карбюраторных бензиновых двигателей к
использованию дизельных двигателей, в топливо которых не добавляют
соединения свинца.
Перспективными являются разработки и испытания автомобилей, в которых
вместо бензиновых двигателей используется электродвигатель, питающийся от
аккумулятора, или двигатель, использующий в качестве топлива водород. В
последнем типе двигателя при сгорании водорода образуется вода.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Бернал Дж. Наука в истории общества.М.,1956.
Енохович А.С. Справочник по физике и технике. – М.: Просвещение, 1983.
Кабардин О.Ф. Физика. – М.: Просвещение, 1988.
Курс общей физики. – Киев.: Днепр, 1994.
-----------------------
[pic]
[pic]
