Upotreba toplotnih motora u privredi. Uloga toplotne energije u globalnom energetskom bilansu. Klasifikacija toplotnih motora
Pročitajte također
Toplotna mašina (parna mašina) je igrala i igra izuzetno važnu ulogu u razvoju naše civilizacije. Njegov izum i primena u proizvodnji, transportu i drugim oblastima ljudske delatnosti izazvali su industrijsku revoluciju 18. veka i otvorili nove horizonte u našim životima.
Rad toplotnog motora zasniva se na dejstvu vodene pare ili drugih gasova. Uređaji koji koriste elastično djelovanje zraka i vodene pare bili su poznati u antičkom svijetu. Najpoznatije od njih dizajnirali su starogrčki pronalazači iz grada Aleksandrije: Ktesibije, Filon i Heron.
Od 80-ih godina 18. vijeka, Watt-ov univerzalni toplinski motor našao je široku primjenu u svim sektorima privrede mnogih zemalja. Na primjer, u Velikoj Britaniji su stvorili preko 300 takvih motora za tekstilnu, rudarsku, metaluršku i prehrambenu industriju. Parna mašina je podstakla razvoj novih radnih mašina i transporta.
Tako je rođena i etablirala se parna mašina u raznim oblastima. WITH
U to vrijeme, toplinski stroj se neprestano usavršavao, a upečatljivi primjeri su razvoj parnih lokomotiva i motora s unutrašnjim sagorijevanjem. Ali ovo su potpuno različite priče. I, unatoč činjenici da je od kraja 19. stoljeća u mnogim slučajevima parna mašina zamijenjena električnim motorom, ona je igrala posebnu ulogu u tehničkom napretku čovječanstva, a stotine radioničkih dizajna toplotnih motora 18. -20. stoljeće predstavljaju primjere visokog uspona naučnog, tehničkog i inženjerskog ljudskog genija.
43. Vrste motora. Izgledi za razvoj dizajna motora.
Motor, motor(od lat. motor vožnja) - uređaj koji pretvara bilo koju vrstu energije u mehaničku energiju. Ovaj termin se koristi od kraja 19. veka zajedno sa rečju „motor“, koja se od sredine 20. veka sve češće odnosi na elektromotore i motore sa unutrašnjim sagorevanjem (ICE).
Motori se dijele na primarne i sekundarne. Primarne su one koje direktno pretvaraju prirodne izvore energije u mehanički rad, a sekundarne one koje pretvaraju energiju proizvedenu ili akumuliranu drugim izvorima.
Glavni pokretači (PM) uključuju točak vjetra koji koristi snagu vjetra, vodeni kotač i mehanizam težine - pokreće ih sila gravitacije (voda koja pada i sila privlačenja), toplinski motori - u kojima se kemijska energija goriva ili se nuklearna energija pretvara u druge vrste energije. Sekundarni motori (SE) uključuju električni motor (elektromotor), pneumatski motor i hidraulički motor (hidraulični motor).
Klipni motori - komora za sagorevanje je cilindar u kome se hemijska energija goriva pretvara u mehaničku energiju, koja se iz povratnog kretanja klipa pretvara u rotaciono pomoću kolenastog mehanizma. ICE se klasifikuju: a) Po namjeni - dijele se na transportne, stacionarne i specijalne. b) Po vrsti goriva koje se koristi - lako tečno (benzin, gas), teško tečno (dizel gorivo). c) Prema načinu formiranja zapaljive mješavine - vanjski (karburator) i unutrašnji za dizel motor sa unutrašnjim sagorijevanjem. d) Prema načinu paljenja, ili varnicom ili kompresijom. e) Prema broju i položaju cilindara dijele se na linijske, horizontalne, vertikalne, u obliku slova V i suprotne.
Rezerve unutrašnje energije u zemljinoj kori i okeanima mogu se smatrati praktički neograničenim. Ali posjedovanje energetskih rezervi nije dovoljno. Neophodno je moći koristiti energiju za pokretanje alatnih mašina u fabrikama i fabrikama, vozila, traktore i druge mašine, za rotaciju rotora generatora električne struje itd. Čovječanstvu su potrebni motori - uređaji sposobni za rad.
Nepovratnost procesa u prirodi nameće određena ograničenja mogućnosti korištenja unutrašnje energije za obavljanje rada u toplinskim mašinama.
Uloga toplotnih motora u razvoju termoenergetike i transporta. Većina motora na Zemlji su toplotni motori, odnosno uređaji koji pretvaraju unutrašnju energiju goriva u mehaničku energiju.
Od najveće važnosti je upotreba toplotnih motora (uglavnom snažnih parnih turbina) u termoelektranama, gdje pokreću rotore generatora električne struje. Više od 80% električne energije u našoj zemlji proizvodi se u termoelektranama.
Toplotni motori, parne turbine, takođe su ugrađeni u sve nuklearne elektrane. Na ovim stanicama energija atomskih jezgri se koristi za proizvodnju pare visoke temperature.
Nadalje, sve glavne vrste modernog transporta uglavnom koriste toplinske motore. U cestovnom prometu koriste se klipni motori s unutarnjim sagorijevanjem s vanjskim stvaranjem zapaljive smjese (motori s karburatorom) i motori sa stvaranjem zapaljive smjese direktno unutar cilindara (dizelaši). u poljoprivredi.
U željezničkom saobraćaju do sredine 20. stoljeća. Glavni motor je bio parni stroj. Sada uglavnom koriste dizel lokomotive i električne lokomotive. Ali električne lokomotive također na kraju primaju energiju uglavnom iz termičkih motora elektrana.
Vodeni transport koristi i motore sa unutrašnjim sagorevanjem i moćne parne turbine za velike brodove.
U vazduhoplovstvu se klipni motori ugrađuju na lake avione, a turbomlazni i mlazni motori, koji takođe spadaju u termičke motore, ugrađuju se na ogromne avione. Mlazni motori se takođe koriste na svemirskim raketama.
Bez toplotnih motora savremena civilizacija je nezamisliva. Ne bismo imali obilje jeftine struje i bili bismo uskraćeni za sve oblike brzog transporta.
Glavni uslov za rad toplotnih motora. U svim toplotnim motorima gorivo tokom sagorevanja povećava temperaturu radnog fluida za stotine ili hiljade stepeni u poređenju sa okolinom. U tom slučaju se povećava pritisak radnog fluida u odnosu na pritisak okoline, odnosno atmosfere, a telo radi zbog svoje unutrašnje energije. Radni fluid svih toplotnih motora je gas.
Nijedan toplotni motor ne može raditi na istoj temperaturi svog radnog fluida i okoline. U stanju termičke ravnoteže ne dešavaju se makroskopski procesi; posebno se ne može raditi nikakav posao.
Toplotni stroj obavlja rad koristeći unutrašnju energiju u procesu prijenosa topline sa toplijih tijela na hladnija. U ovom slučaju, obavljeni rad je uvijek manji od količine topline koju motor prima od vrućeg tijela (grijača). Dio topline se prenosi na hladnije tijelo (hladnjak).
Uloga frižidera. Hajde da saznamo zašto se, kada radi toplotni motor, deo toplote neizbežno prenosi u frižider.
Prilikom adijabatskog širenja gasa u cilindru (slika 45), rad se obavlja usled smanjenja unutrašnje energije bez prenosa toplote u frižider. Prema formuli (4.14). U izotermnom procesu, ispostavlja se da je sva toplota preneta na gas jednaka radu; .
Međutim, i u prvom i u drugom procesu, rad se obavlja za vrijeme jednog širenja plina do tlaka jednakog vanjskom pritisku (na primjer, atmosferskom). Motor mora raditi dugo vremena. To je moguće samo ako svi dijelovi motora (klipovi, ventili itd.) čine pokrete koji se ponavljaju u određenim intervalima. Motor se mora periodično vraćati u prvobitno stanje nakon jednog radnog ciklusa; ili motor mora proći kroz vremenski nepromjenjiv (stacionarni) proces (na primjer, kontinuirana rotacija turbine).
Da bi se plin u cilindru vratio u prvobitno stanje, mora se komprimirati. Da bi se komprimirao plin, na njemu se mora raditi. Rad kompresije će biti manji od rada samog gasa tokom ekspanzije ako se gas komprimuje na nižoj temperaturi, a samim tim i na nižem pritisku, nego što se desilo tokom ekspanzije gasa. Da biste to učinili, potrebno je ohladiti plin prije kompresije ili tokom procesa kompresije, prenoseći određenu količinu topline u hladnjak.
U motorima koji se koriste u praksi, završeni radni (izduvni) plin (ili para) se ne hladi prije naknadne kompresije, već se ispušta iz motora i sljedeći radni ciklus počinje s novim dijelom plina. Izduvni plin ima višu temperaturu od okolnih tijela i prenosi im toplinu.
Za rotaciju parne turbine, vruća para pod visokim pritiskom kontinuirano se dovodi do njenih lopatica, koje se nakon završetka rada hlade i uklanjaju iz turbine. Kako se para hladi i kondenzuje, ona prenosi toplotu na okolna tela.
U parnoj turbini ili mašini, grijač je parni kotao, a hladnjak je atmosfera ili posebni uređaji za hlađenje i kondenzaciju izduvne pare - kondenzatori. Kod motora s unutrašnjim sagorijevanjem do povećanja temperature dolazi kada se gorivo sagorijeva unutar motora, a "grijač" su sami vrući proizvodi izgaranja. Frižider takođe služi kao atmosfera u koju se ispuštaju izduvni gasovi.
Šematski dijagram toplotnog motora prikazan je na umetku u boji Radni fluid motora prima određenu količinu toplote od grejača, obavlja rad A i prenosi količinu toplote na frižider.
Još jedna formulacija drugog zakona termodinamike. Nemogućnost potpunog pretvaranja unutrašnje energije u rad u toplotnim mašinama koji se periodično vraćaju u prvobitno stanje je posledica nepovratnosti procesa u prirodi i leži u osnovi još jedne formulacije drugog zakona termodinamike.
Ova formulacija pripada engleskom naučniku W. Kelvinu: nemoguće je izvesti takav periodični proces čiji bi jedini rezultat bio proizvodnja rada zbog topline uzete iz jednog izvora.
Obje formulacije drugog zakona termodinamike međusobno određuju jedna drugu. Ako bi se toplina mogla spontano prenijeti iz hladnjaka na grijač, tada bi se unutrašnja energija mogla u potpunosti pretvoriti u rad pomoću bilo kojeg toplotnog motora.
ČASOVI FIZIKE U 10. RAZREDU.
MOLEKULARNA FIZIKA I TERMODINAMIKA
OSNOVE TERMODINAMIJE*
Lekcija #6
Predmet. Uloga toplotnih motora u nacionalnoj ekonomiji. Ekološki problemi povezani sa njihovom upotrebom
Cilj: produbiti znanja učenika o fizičkim principima rada toplotnih motora, njihovoj ekonomskoj primeni, upoznati studente sa dostignućima nauke i tehnologije u unapređenju toplotnih motora; razviti komunikacijske kompetencije, sposobnost analiziranja, izvođenja zaključaka; formirati svestan odnos prema zaštiti životne sredine, gajiti interesovanje učenika za fiziku, podsticati kreativnu aktivnost učenika.
Tip časa: čas generalizacije i sistematizacije znanja.
Oblik nastave: čas-seminar.
Oprema: kartice sa natpisima: istoričari, ekolozi, portreti fizičara.
II. Nastupi bendova
Historian. 1696. godine engleski inženjer Thomas Severi (1650-1715) izumio je parnu pumpu za podizanje vode. Koristio se za pumpanje vode u rudnicima kalaja. Njegov rad se zasnivao na hlađenju zagrijane pare, koja je, kada se kompresovala, stvarala vakuum koji je vodu iz rudnika uvlačio u cijev.
Godine 1707. pumpa Severi je postavljena u Ljetnoj bašti u Sankt Peterburgu. Engleski mehaničar Thomas Newcomen (1663-1729) stvorio je parnu mašinu 1705. za crpljenje vode iz rudnika. Godine 1712, koristeći ideje Papina i Severija, Newcomen je napravio mašinu koja je korišćena u rudnicima Engleske do sredine 18. veka.
Prve praktično operativne univerzalne mašine stvorili su ruski izumitelj I. Polzunov (1766) i Englez D. Watt (1774)
Polzunovljev parni stroj imao je visinu od 11 m, zapreminu kotla 7 m3, visinu cilindra 2,8 m i snagu od 29 kW. Ova mašina je dugo radila u jednom od rudarskih pogona u Rusiji.
Historian. 1765. J. Watt je dizajnirao i kasnije poboljšao parnu mašinu fundamentalno novog tipa. Njegova mašina nije mogla samo da ispumpa vodu, već i da omogući kretanje mašinama, brodovima i posadama. Do 1784. godine stvaranje univerzalne parne mašine je praktično završeno, koja je postala glavno sredstvo za proizvodnju energije u industrijskoj proizvodnji. Tokom 1769-1770, francuski pronalazač Nicolas Joseph Cugnot (1725-1804) dizajnirao je kočiju na parni pogon, pretka automobila. Još uvijek se čuva u Muzeju za umjetnost i zanat u Parizu.
Amerikanac Robert Fulton (1765-1815) plovio je parobrodom Clermont, koji je napravio, duž rijeke Hudson 1807. godine. Dana 25. jula 1814. godine lokomotiva engleskog pronalazača Džordža Stivensona (1781-1848) prevezla je 30 tona tereta u 8 vagona brzinom od 6,4 km/h prugom uskog koloseka. Godine 1823. Stephenson je osnovao prvu tvornicu parnih lokomotiva. Prva željeznička pruga od Stocktona do Darlingtona počela je sa radom 1825. godine, a 1830. godine počela je sa radom javna željeznička linija između industrijskih centara Liverpoola i Manchestera. James Nesmith (1808-1890) stvorio je izuzetno moćan parni čekić 1839. godine, koji je napravio revoluciju u metalurškoj proizvodnji. Takođe je razvio nekoliko novih mašina za obradu metala.
Tako je počeo procvat industrije i željeznica – prvo u Velikoj Britaniji, a potom iu drugim zemljama svijeta.
Učitelju. Prisjetimo se principa rada toplotnog motora.
Mehaničar. Toplotni motori su mašine u kojima se unutrašnja energija pretvara u mehaničku energiju.
Postoji nekoliko vrsta toplotnih motora: parni motor, motor sa unutrašnjim sagorevanjem, parne i gasne turbine, mlazni motor. U svim ovim motorima energija goriva se prvo pretvara u energiju plina (pare). Šireći se, plin (para) radi i istovremeno se hladi, dio njegove unutrašnje energije pretvara se u mehaničku energiju. Prema tome, toplotni stroj ima grijač, radni fluid i hladnjak. To je ustanovio francuski naučnik Sadi Carnot 1824. Princip rada takve mašine može se prikazati dijagramom (slika 1).
Uz to, Carnot je ustanovio da motor mora raditi u zatvorenom ciklusu, a najisplativiji je ciklus koji se sastoji od dva izotermna i dva adijabatska procesa. Zove se Carnotov ciklus i može se prikazati grafički (slika 2).
Iz grafikona je jasno da radni fluid obavlja koristan rad, koji je brojčano jednak površini koju opisuje ciklus, tj. oblasti 1 - 2 - 3 - 4 - 1.
Zakon održanja i transformacije energije za Carnotov ciklus je da je energija koju radni fluid primi iz okoline jednaka energiji koju on prenosi u okolinu. Toplotni motori obavljaju rad zbog razlike u tlaku plina na površinama klipova ili lopatica turbine. Ova razlika pritiska nastaje temperaturnom razlikom. Ovo je princip rada toplotnih motora.
Mehaničar. Jedan od najčešćih tipova toplotnih motora je motor sa unutrašnjim sagorevanjem (ICE), koji se danas koristi u raznim vozilima. Prisjetimo se strukture takvog motora: glavni element je cilindar s klipom, unutar kojeg gori gorivo.
Cilindar ima dva ventila - ulazni i izduvni. Osim toga, rad motora je osiguran prisustvom svjećice, mehanizma klipnjače i radilice spojene na kotače automobila. Motor radi u četiri takta (slika 3): A takt je usis zapaljive smjese; Hod II - kompresija, na čijem kraju se gorivo pali iskrom iz svjećice; Hod III - pogonski udar, tokom ovog takta gasovi nastali sagorevanjem goriva vrše rad, gurajući klip nadole; Hod IV - izduvni gas, kada izlaze iscrpljeni i ohlađeni gasovi. Grafikon zatvorenog ciklusa, koji karakteriše promene stanja gasa tokom rada ovog motora, prikazan je na Sl. 4.
Korisni rad u jednom ciklusu približno je jednak površini slike 2 - 3 - 4 - 5 - 6 - 2. Rasprostranjenost takvih motora je zbog činjenice da su lagani, kompaktni i imaju relativno visoka efikasnost (teoretski do 80%, a praktično samo 30%). Nedostaci su što rade na skupo gorivo, složeni su po dizajnu, imaju veoma veliku brzinu rotacije osovine motora, a njihovi izduvni gasovi zagađuju atmosferu.
Ekolog. Da bi se povećala efikasnost sagorevanja benzinskih motora (povećali njegov oktanski broj), dodaju mu se razne supstance, uglavnom etil tečnost, koja sadrži tetraetil olovo, koje ima ulogu antidetonacionog sredstva (oslobađa se oko 70% olovnih jedinjenja u vazduh kada motori rade). Prisustvo čak i male količine olova u krvi dovodi do ozbiljnih bolesti, smanjenja inteligencije, prenadraženosti, razvoja agresivnosti, nepažnje, gluvoće, neplodnosti, zastoja u rastu, vestibularnih poremećaja itd.
Drugi problem su emisije ugljik(II) oksida. Može se zamisliti kolika je šteta od CO ako samo jedan automobil emituje oko 3,65 kg ugljičnog (II) oksida u zrak dnevno (parking prelazi 500 miliona, a gustina saobraćaja, na primjer, na kijevskim autoputevima dostiže 50- 100 hiljada automobila dnevno sa ispuštanjem 1800-9000 kg CO u vazduh svakog sata!).
Toksičnost CO za ljude je da, kada uđe u krv, lišava eritrocite (crvena krvna zrnca) sposobnost transporta kisika, što rezultira izgladnjivanjem kisikom, gušenjem, vrtoglavicom, pa čak i smrću. Osim toga, motori sa unutrašnjim sagorevanjem doprinose termičkom zagađenju atmosfere, temperatura vazduha u gradu u kojem se nalazi veliki broj automobila uvek je za 3-5 °C viša od temperature van grada.
Historian. Godine 1896-1897. Njemački inženjer G. Diesel je predložio motor koji je imao veću efikasnost od prethodnih. Godine 1899. dizel motor je prilagođen za rad na teško tekuće gorivo, što je dovelo do njegove dalje široke upotrebe.
Učitelju. Koje su razlike između dizel motora sa unutrašnjim sagorevanjem i karburatora?
Mehaničar. Dizel motori nisu inferiorni u distribuciji u odnosu na karburatorske motore. Njihova struktura je skoro ista: cilindar, klip, usisni i izduvni ventili, klipnjača, radilica, zamašnjak i bez svjećice.
To je zbog činjenice da se gorivo ne pali od iskre, već od visoke temperature koja se stvara iznad klipa uslijed iznenadne kompresije zraka. Gorivo se ubrizgava u ovaj vrući vazduh, i on sagoreva, formirajući radnu mešavinu. Ovaj motor je hotiritaktičan, njegov radni dijagram je prikazan na Sl. 5.
Korisni rad motora jednak je površini slike 2 - 3 - 4 - 5 - 6 - 2. Takvi motori rade na jeftinim vrstama goriva, njihova efikasnost je oko 40%. Glavni nedostatak je što njihov rad jako ovisi o temperaturi okoline (na niskim temperaturama ne mogu raditi).
Ekolog. Značajan napredak u dizel motorima učinio je ove motore „čišćima“ od benzinskih motora; već se uspješno koriste u putničkim automobilima.
Ispušni plinovi dizela gotovo da ne sadrže toksični ugljični oksid, budući da dizel gorivo ne sadrži olovo tetraetil. Odnosno, dizel motori zagađuju okolinu mnogo manje od karburatorskih motora.
Historian. Sljedeći toplinski motori koje ćemo pogledati su parne i plinske turbine. S obzirom da se takve mašine koriste uglavnom u elektranama (termalnim i nuklearnim), vremenom njihovog uvođenja u tehnologiju treba smatrati drugu polovinu 30-ih godina 20. stoljeća, iako su prvi manji projekti takvih agregata poduzeti još 80-ih godina. 19. vijeka. V. M. Makhovskog treba smatrati dizajnerom prve industrijske gasne turbine.
1883. švedski inženjer G. Dach je predložio prvi dizajn jednostepene parne turbine, a 1884-1885. Englez C. Parson dizajnirao je prvu višestepenu turbinu. Charles Parson ga je koristio u hidroelektrani u Elberfeldu (Njemačka) 1899. godine.
Mehaničar. Rad turbina zasniva se na rotaciji točka sa lopaticama pod pritiskom vodene pare ili gasa. Stoga je glavni radni dio rotor turbine - disk montiran na osovinu s lopaticama po obodu. Para iz parnog kotla se posebnim kanalima (mlaznicama) usmjerava na lopatice rotora. Para se širi u mlaznicama, njen pritisak pada, ali se protok povećava, tj. Unutrašnja energija pare pretvara se u kinetičku energiju mlaza.
Parne turbine su dvije vrste: aktivne turbine, čija rotacija rotora nastaje kao posljedica udara strumini na lopatice, i reaktivne turbine, kod kojih su lopatice postavljene tako da para, izlazeći iz otvora između njih, stvara mlazni potisak. Prednosti parne turbine uključuju veliku brzinu, značajnu snagu i veliku gustoću snage. Efikasnost parnih turbina dostiže 25%. Može se povećati ako turbina ima nekoliko nivoa pritiska, koji se sastoje od mlaznica i lopatica rotora koji se naizmjenično nalaze. Brzina pare u takvoj turbini se smanjuje na radnoj lopatici, a zatim (nakon prolaska kroz mlaznicu) ponovo raste zbog smanjenja tlaka. Dakle, od stepena do stepena, pritisak pare se sukcesivno smanjuje i ona iznova obavlja rad. U modernim turbinama broj stupnjeva dostiže 30.
Nedostatak turbina je inercija, nemogućnost regulacije brzine rotacije i nedostatak povratnog kretanja.
Ekolog. Upotreba parnih turbina u elektranama zahtijeva izdvajanje velikih površina za ribnjake u kojima se hladi izduvna para. Sa povećanjem kapaciteta elektrane, potreba za vodom naglo raste, osim toga, kao rezultat hlađenja parom, oslobađa se velika količina topline u okolinu, što opet dovodi do toplinske pobude i povećanja temperature; Zemlja.
Historian. Toplotni motori uključuju mlazne motore. Teorija takvih motora je reprodukovana u radovima E.K. Tsiolkovskog, koji su napisani početkom 20. veka, a njihovo uvođenje je povezano sa imenom još jednog ukrajinskog pronalazača - S.P. Koroljeva. Konkretno, pod njegovim vodstvom stvoreni su prvi mlazni motori korišteni u zrakoplovima (1942), a kasnije (1957) lansirani su prvi svemirski satelit i prva svemirska letjelica s ljudskom posadom (1961). Koji je princip rada mlaznih motora?
Mehaničar. Toplotni motori koji koriste mlazni pogon i curenje plina nazivaju se mlazni motori. Princip njihovog rada je da se gorivo, kada se sagori, pretvara u gas, koji velikom brzinom istječe iz mlaznica motora, tjerajući letjelicu da se kreće u suprotnom smjeru. Pogledajmo nekoliko tipova takvih motora.
Jedan od najjednostavnijih dizajna je ramjet motor. Ovo je cijev u koju nadolazeći tok tjera zrak, a tečno gorivo se ubrizgava u nju i pali. Vrući plinovi izlaze iz cijevi velikom brzinom, dajući joj mlazni potisak. Nedostatak ovog motora je što se za stvaranje potiska mora kretati u odnosu na zrak, odnosno ne može sam poletjeti. Najveća brzina je 6000 - 7000 km/h.
Ako mlazni motor ima turbinu i kompresor, onda se takav motor naziva turbokompresor. Tokom rada takvog motora, zrak ulazi u kompresor kroz usisni otvor, gdje se komprimira i dovodi u komoru za sagorijevanje, gdje se ubrizgava gorivo. Ovdje se zapali, proizvodi izgaranja prolaze kroz turbinu, koja rotira kompresor, i izlaze kroz mlaznicu, stvarajući mlazni potisak.
Ovisno o raspodjeli snage, ovi motori se dijele na turbomlazne i turboelisne. Prvi troše većinu svoje snage na mlazni potisak, dok drugi većinu svoje snage troše na rotaciju gasne turbine.
Prednost ovih motora je što imaju veću snagu, što omogućava velike brzine potrebne za dizanje u svemir. Nedostaci su velike dimenzije, niska efikasnost i šteta koju nanose okolišu.
Ekolog. Pošto mlazni motori sagorevaju i gorivo, oni, kao i svi toplotni motori, zagađuju okolinu štetnim materijama koje se oslobađaju tokom sagorevanja. To su ugljični dioksid (CO 2), ugljični monoksid (CO), jedinjenja sumpora, dušikovi oksidi i drugi. Ako su tijekom rada automobilskih motora mase ovih tvari iznosile kilograme, sada su tone i centni. Osim toga, letovi aviona na velikim visinama, lansiranje svemirskih raketa i letovi vojnih balističkih projektila negativno utječu na ozonski omotač atmosfere, uništavajući ga. Procjenjuje se da bi stotinu uzastopnih lansiranja Space Shuttlea moglo gotovo u potpunosti uništiti zaštitni ozonski omotač Zemljine atmosfere, Učitelju. Kakvi bi trebali biti motori budućnosti? Mehaničar. Većina stručnjaka smatra da bi to trebali biti motori na vodik, odnosno oni u kojima vodonik reagira s kisikom, što rezultira stvaranjem vode. Razvoji koji se sprovode u tom pravcu daju mnogo različitih dizajna ovakvih motora: od onih u kojima se rezervoari pune odgovarajućim gasovima, do mašina u kojima je gorivo šećerni sirup. Postoje i dizajni u kojima je gorivo ulje, alkohol, pa čak i biološki otpad. Ali za sada svi ovi motori postoje samo u obliku eksperimentalnih uzoraka, koji su još daleko od uvođenja u industrijsku proizvodnju. Međutim, čak i ovi razvoji daju nadu da ćemo u budućnosti dobiti mnogo ekološki prihvatljivije automobile od modernih. I iako još nismo uspjeli stvoriti toplinski stroj koji nimalo ne bi zagađivao okoliš, tome ćemo težiti.
III. Zadaća
Uradite test domaće zadaće
Opcija 1
1. Pritisak gasa ispod klipa je 490 kPa. Koliki rad izvrši gas ako se zagreje pod konstantnim pritiskom na temperaturu koja je dvostruko veća od početne? Početna zapremina gasa je 10 l.
2. Para ulazi u turbinu na temperaturi od 500 °C i izlazi na temperaturi od 30 °C. Pod pretpostavkom da je turbina idealan toplotni motor, izračunajte njenu efikasnost.
3. Ili će se zrak u prostoriji ohladiti ako držite otvorena vrata frižidera uključenog u struju?
Opcija 2
1. Koliko se promijeni unutrašnja energija 200 g helijuma kada se temperatura poveća za 20 K?
2. Temperatura grejača idealne mašine je 117 °C, a temperatura frižidera je 27 °C. Količina topline koju mašina primi od grijača u 1 s je 60 kJ. Izračunajte efikasnost mašine, količinu toplote koju frižider uzima za 1 s i snagu mašine.
3. Kada je efikasnost toplotnog motora veća: po hladnom ili vrućem vremenu?
Aneks 1
Parna mašina I. Polzunova
James Watt je poboljšao Newcomenovu parnu pumpu, povećavajući njenu efikasnost. Njegove parne mašine, proizvedene 1775. godine, radile su u mnogim fabrikama u Velikoj Britaniji.
Neki detalji o motoru |
Karburatorski motor |
Dizel motor |
Radni fluid |
Proizvodi sagorevanja benzina |
Proizvodi sagorevanja dizel goriva |
Dizel gorivo |
||
Pritisak u cilindru |
1,5 106-3,5 106 Pa |
|
Temperatura komprimovanog vazduha |
||
Temperatura produkata sagorevanja |
||
20-25% (do 35%) |
30-38% (do 45%) |
|
Upotreba |
U lakim mobilnim vozilima relativno male snage (putnički automobili, motocikli, itd.) |
U kamionima velike snage, traktorima, tegljačima, dizel lokomotivama, u stacionarnim instalacijama termoelektrana |
Istorija stvaranja |
Prvi put patentirao 1860. godine Francuz Lenoir; 1878. izgrađen je motor sa efikasnošću = 2% (njemački izumitelj Otto i inženjer Langen) |
Kreirao 1893. njemački inženjer R. Diesel |
Dodatak 3
Dijagram dizajna mlaznog motora
Opis prezentacije po pojedinačnim slajdovima:
1 slajd
Opis slajda:
Toplotni motori. Efikasnost toplotni motor. Uloga toplotnih motora u nacionalnoj ekonomiji
2 slajd
Opis slajda:
Toplotni motor je uređaj u kojem se unutrašnja energija pretvara u mehaničku energiju. Primeri toplotnih motora: motor sa unutrašnjim sagorevanjem (ICE) a) motor sa karburatorom b) dizel motor c) mlazni motor Parne i gasne turbine. Šta je toplotni motor?
3 slajd
Opis slajda:
Ko je i kada izumio prve toplotne motore? Devi Papin je engleski fizičar, jedan od pronalazača parne mašine. 1680 – Izumio parni kotao 1681. – Opremljen je sigurnosnim ventilom 1690. – On je prvi koristio paru za podizanje klipa i opisao zatvoreni termodinamički ciklus parne mašine. 1707 – Dao opis vašeg motora
4 slajd
Opis slajda:
Ko ga je izgradio i kada? Kraj 18. vijeka - izgrađene su prve parne mašine. 1774 - Engleski izumitelj James Watt napravio je prvu univerzalnu parnu mašinu. Od 1775. do 1785. Wattova kompanija je izgradila 56 parnih mašina. Od 1785. do 1795. godine – ista kompanija je već isporučila 144 takve mašine.
5 slajd
Opis slajda:
Prvi parni automobil 1770 Jean Cugnot - francuski inženjer, napravio je prva samohodna kolica dizajnirana za pomicanje artiljerijskih oruđa
6 slajd
Opis slajda:
“Mlađi brat” - parna lokomotiva 1803. – Engleski pronalazač Richard Trevithick dizajnirao je prvu parnu lokomotivu. Nakon 5 godina, Trevithick je napravio novu lokomotivu. dostigao je brzinu do 30 km/h 1816. godine. – Bez podrške, Trevitik je bankrotirao i otišao u Južnu Ameriku
7 slajd
Opis slajda:
Odlučujuća uloga 1781-1848 – Engleski dizajner i pronalazač George Stephenson 1814 – Počeo sa izradom parnih lokomotiva. 1823 – Osnovao prvu fabriku parnih lokomotiva na svetu 1829. – Na takmičenju najboljih lokomotiva Stephensonova parna lokomotiva “Raketa” zauzela je prvo mjesto. Snaga mu je bila 13 KS, a brzina 47 km/h.
8 slajd
Opis slajda:
Motor sa unutrašnjim sagorevanjem 1860 – Francuski mehaničar Lenoir izumeo je motor sa unutrašnjim sagorevanjem 1878. – Njemački pronalazač Otto dizajnirao je četverotaktni motor s unutrašnjim sagorijevanjem. 1825 – Nemački pronalazač Daimler stvorio je benzinski motor sa unutrašnjim sagorevanjem Otprilike u isto vreme, Kostović je razvio benzinski motor u Rusiji.
Slajd 9
Opis slajda:
Dizel motori 1896 – Njemački inženjer Rudolf Diesel dizajnirao je motor s unutrašnjim sagorijevanjem u kojem nije bila komprimirana zapaljiva smjesa, već zrak. Ovo su najekonomičniji toplotni motori 1) rade na jeftine vrste goriva 2) imaju efikasnost od 31-44% 29.09.1913. Ukrcao sam se na brod za London. Sljedećeg jutra nije pronađen u kabini. Pretpostavlja se da je izvršio samoubistvo skočivši noću u vode Lamanša.
10 slajd
Opis slajda:
Toplotni motori mogu biti projektovani na različite načine, ali u svakom toplotnom stroju mora postojati radna tvar, odnosno tijelo koje obavlja mehanički rad u radnom dijelu mašine, grijač u kojem radna tvar prima energiju i hladnjak koji uzima odvaja toplotu od radnog fluida. Radna tvar može biti vodena para ili plin.
11 slajd
Opis slajda:
12 slajd
Opis slajda:
Efikasnost toplotnog motora (mašine) Efikasnost toplotnog motora (efikasnost) je omjer rada motora i količine toplote primljene od grijača: Efikasnost bilo koje toplotne mašine je manja od jedan i izražava se kao procenat. Nemogućnost pretvaranja cjelokupne količine topline primljene od grijača u mehanički rad je cijena koju treba platiti za potrebu organiziranja cikličkog procesa i slijedi iz drugog zakona termodinamike. Šta je to?
Slajd 13
Opis slajda:
Carnot ciklus. Efikasnost idealnog toplotnog motora Najveća efikasnost pri datim temperaturama grejača Theat i frižider Tcol imaju toplotnu mašinu u kojoj se radni fluid širi i skuplja prema Carnotovom ciklusu, čiji se grafikon sastoji od dve izoterme (2–3 i 4 –1) i dva adijabata (3–4 i 1–2).
14 slajd
Opis slajda:
U stvarnim toplotnim motorima, efikasnost je određena eksperimentalnom mehaničkom snagom N motora i količinom sagorenog goriva u jedinici vremena. Dakle, ako za vrijeme t sagorijeva gorivo mase m i specifične topline sagorijevanja q, onda je za vozila referentna karakteristika često zapremina V goriva sagorijenog duž puta s pri snazi mehaničkog motora N i pri brzini. U ovom slučaju, uzimajući u obzir gustinu r goriva, možemo napisati formulu za izračunavanje efikasnosti:
15 slajd
Slajd 17
Opis slajda:
Efekt staklene bašte je povećanje koncentracije ugljičnog dioksida (proizvoda sagorijevanja u grijačima toplinskih motora) u atmosferi. Ugljični dioksid propušta vidljivo i ultraljubičasto zračenje sa Sunca, ali apsorbira infracrveno zračenje sa Zemlje u svemir. To dovodi do povećanja temperature nižih slojeva atmosfere, pojačanih uraganskih vjetrova i globalnog topljenja leda. Direktan uticaj toksičnih izduvnih gasova na divlje životinje (kancerogeni, smog, kisele kiše iz nusproizvoda sagorevanja). Uništavanje ozonskog omotača tokom letova aviona i lansiranja raketa. Ozon u gornjim slojevima atmosfere štiti sav život na Zemlji od viška ultraljubičastog zračenja Sunca. Posljedice toplotnih motora na okoliš
18 slajd
Opis slajda:
Osoba planira da kupi automobil na period od tri godine, ali ne može da odluči da li će kupiti automobil sa dizel motorom koji košta 23.000 dolara ili automobil sa benzinskim motorom koji košta 20.000 dolara. Snaga automobila je ista i jednaka je 100 kW. U toku godine planira voziti oko 10 hiljada kilometara automobilom. Prosječna brzina je 72 km/h. Koja opcija kupovine će biti ekonomski isplativija? Cijena po litri: dizel gorivo 15 rubalja, benzin 18 rubalja. Gustina benzina 710 kg/m3 dizel. goriva 820 kg/m3. Specifična toplota sagorevanja je 156*10^6 J/kg, odnosno 127*10^6. J/kg.
Trenutno je nemoguće imenovati niti jednu oblast ljudske proizvodne aktivnosti u kojoj se ne koriste termalne instalacije. Svemirska tehnologija, metalurgija, mašinogradnja, saobraćaj, energetika, poljoprivreda, hemijska industrija, proizvodnja hrane - ovo nije potpuna lista sektora nacionalne privrede u kojima se moraju rešavati naučna i tehnička pitanja vezana za toplotne instalacije.
U toplotnim mašinama i toplotnim instalacijama toplota se pretvara u rad ili rad u toplotu.
Parna turbina je toplotna mašina u kojoj se potencijalna energija pare pretvara u kinetičku energiju, a kinetička u mehaničku energiju rotacije rotora. Rotor turbine je direktno povezan sa osovinom radne mašine koja može biti električni generator, propeler itd.
Posebno je velika upotreba toplotnih motora u željezničkom saobraćaju, jer Pojavom dizel lokomotiva na željeznici olakšan je transport najveće količine robe i putnika u svim pravcima. Dizel lokomotive su se pojavile na sovjetskim željeznicama prije više od pola stoljeća na inicijativu V.I. Lenjin. Dizel motori direktno pokreću dizel lokomotivu, a uz pomoć električnog prijenosa, generatora električne struje i elektromotora. Na istoj osovini sa svakom dizel lokomotivom nalazi se generator jednosmjerne struje. Električna struja koju generiše generator ulazi u vučne motore koji se nalaze na osovinama dizel lokomotive. Dizel lokomotiva je složenija od električne lokomotive i košta više, ali ne zahtijeva kontaktnu mrežu ili vučne podstanice. Dizel lokomotiva se može koristiti gdje god se postavljaju željezničke pruge i to je njena ogromna prednost. Dizel je ekonomičan motor, rezerva naftnog goriva na dizel lokomotivi je dovoljna za dugo putovanje. Za transport velikih i teških tereta izgrađeni su teški kamioni, gdje su benzinski motori zamijenjeni snažnijim dizel motorima. Isti motori rade na traktorima, kombajnima i brodovima. Upotreba ovih motora uvelike olakšava ljudski rad. Godine 1897. njemački inženjer R. Diesel predložio je motor sa kompresijskim paljenjem koji je mogao raditi ne samo na benzin, već i na bilo koje drugo gorivo: kerozin, ulje. Motori su se nazivali i dizelaši.
Istorija toplotnih motora seže u daleku prošlost. Prije više od dvije hiljade godina, u 3. vijeku pne. ere, veliki grčki mehaničar i matematičar Arhimed je napravio top koji je pucao pomoću pare.
Danas u svijetu postoje stotine miliona toplotnih motora. Na primjer, motori s unutrašnjim sagorijevanjem se ugrađuju na automobile, brodove, traktore, motorne čamce itd. Opažanje da su promjene temperature tijela konstantno praćene promjenama njihovih zapremina datira još iz daleke antike, međutim, određivanje apsolutnog vrijednost odnosa ovih promjena pripada samo modernom vremenu. Prije pronalaska termometara, takve definicije, naravno, nisu se mogle zamisliti, ali s razvojem termometrije, precizno proučavanje ove veze postalo je apsolutno neophodno. Štaviše, krajem prošlog 18. i početkom sadašnjeg 19. veka nakupilo se mnogo različitih pojava koje su podstakle pažljiva merenja širenja tela usled toplote; to su bili: potreba za ispravkom barometrijskih očitanja pri određivanju nadmorske visine, određivanje astronomske refrakcije, pitanje elastičnosti gasova i para, postepeno sve veća upotreba metala za naučne instrumente i tehničke svrhe, itd.
Prije svega, naravno, okrenuo sam se definiciji ekspanzije zraka, koja je po svojoj veličini bila najupečatljivija i činila se najlakše mjerljivom. Mnogi fizičari su ubrzo dobili veliki broj rezultata, ali su neki od njih bili prilično kontradiktorni. Amonton je, da bi regulisao svoj normalni termometar, izmjerio ekspanziju zraka pri zagrijavanju od 0° do 80° R i relativno precizno odredio da iznosi 0,380 njegove zapremine na 0°. S druge strane, Nuge je 1705. godine, koristeći malo modificirani uređaj, jednom dobio dvostruko veći broj, a drugi put čak 16 puta veći. La Hire (1708) je također dobio 1,5, pa čak i 3,5 umjesto Amontonovog broja. Goakesby (1709) je pronašao broj 0,455; Kryukius (1720) -- 0,411; Trupci -- 0,333; Bon - 0,462; Muschenbreck -- 0,500; Lambert (“Pyrometrie”, str. 47) - 0,375; Deluc -- 0,372; I. T. Meyer - 0,3755 i 0,3656; Saussure -- 0,339; Vandermonde, Berthollet i Monge su primili (1786) - 0,4328. Priestley, koji je dobio broj od 0,9375 koji značajno odstupa od pravog broja za ekspanziju zraka, tvrdio je, osim toga, da se kisik, dušik, vodik, ugljična kiselina, pare dušične, hlorovodonične, sumporne, fluorovodične kiseline i amonijaka - svi razlikuju u njihovom širenju iz vazduha. G. G. Schmidt (“Green’s Neues Journ.”, IV, str. 379) dobio je za ekspanziju zraka broj 0,3574, za kisik 0,3213, i konačno, za vodonik, ugljičnu kiselinu i dušik 0,4400, 0,4352, 0,47au7 Duvernoy se priklonio Priestleyevom mišljenju, ali je generalno otkrio da širenje gasova nije u potpunosti proporcionalno promjeni temperature.
Teorijski materijal
Čovjek je od davnina želio da se oslobodi fizičkog napora ili da ga olakša pri pokretanju nečega, da ima više snage i brzine.
Stvorene su legende o avionskim tepisima, sedmoligaškim čizmama i čarobnjacima koji mahom štapa nose osobu u daleke zemlje. Kada su nosili teške terete, ljudi su izmislili kolica jer se lakše kotrljaju. Zatim su prilagodili životinje - volove, jelene, pse, a najviše konje. Tako su se pojavila kola i kočije. U kočijama su ljudi tražili udobnost, poboljšavajući ih sve više i više.
Želja ljudi za povećanjem brzine takođe je ubrzala promenu događaja u istoriji razvoja transporta. Od grčkog "autos" - "sam" i latinskog "mobilis" - "mobilan", u evropskim jezicima nastao je pridjev "samohodni", doslovno "automobil".
Primjenjivalo se na satove, automatske lutke, na sve vrste mehanizama, općenito, na sve što je služilo kao svojevrsni dodatak "nastavku", "poboljšanju" osobe. U 18. veku su pokušali da zamene radnu snagu parnom snagom i primenili su termin „automobil“ na zaprežna kola.
Zašto doba automobila počinje od prvih „automobila na benzin” sa motorom sa unutrašnjim sagorevanjem, izmišljenih i proizvedenih 1885-1886? Kao da zaboravljaju na parne i akumulatorske (električne) ekipe. Činjenica je da je motor sa unutrašnjim sagorevanjem napravio pravu revoluciju u transportnoj tehnologiji. Dugo se pokazalo da je najdosljedniji ideji automobila i stoga je dugo zadržao svoju dominantnu poziciju. Udio vozila sa motorima sa unutrašnjim sagorijevanjem danas čini više od 99,9% svjetskog drumskog saobraćaja.<Приложение 1>
Glavni dijelovi toplotnog motora
U savremenoj tehnologiji, mehanička energija se uglavnom dobija iz unutrašnje energije goriva. Uređaji u kojima se unutrašnja energija pretvara u mehaničku energiju nazivaju se toplinskim motorima. Za obavljanje rada sagorijevanjem goriva u uređaju koji se zove grijač, možete koristiti cilindar u kojem se plin zagrijava i širi i pokreće klip.<Приложение 3>Gas čije širenje uzrokuje kretanje klipa naziva se radni fluid. Plin se širi jer je njegov pritisak veći od vanjskog pritiska. Ali kako se plin širi, njegov tlak opada i prije ili kasnije će postati jednak vanjskom pritisku. Tada će se ekspanzija gasa završiti i on će prestati da radi.
Šta treba učiniti da se rad toplotnog motora ne zaustavi? Da bi motor radio neprekidno, potrebno je da se klip, nakon širenja gasa, svaki put vraća u prvobitni položaj, komprimujući gas u prvobitno stanje. Kompresija gasa može nastati samo pod uticajem vanjske sile, koja u ovom slučaju radi (sila pritiska gasa u ovom slučaju radi negativan rad). Nakon toga mogu se ponovo pojaviti procesi ekspanzije i kompresije plina. To znači da se rad toplotnog motora mora sastojati od periodično ponavljajućih procesa (ciklusa) ekspanzije i kompresije.
Slika 1
Slika 1 grafički prikazuje procese ekspanzije gasa (linija AB) i kompresije do prvobitne zapremine (linija CD). Rad koji gas obavlja tokom procesa ekspanzije je pozitivan (AF > 0) i numerički je jednak površini figure ABEF. Rad gasa tokom kompresije je negativan (pošto AF< 0) и численно равна площади фигуры CDEF. Полезная работа за этот цикл численно равна разности площадей под кривыми АВ и CD (закрашена на рисунке).
Prisutnost grijača, radnog fluida i hladnjaka temeljno je neophodan uvjet za kontinuirani ciklični rad bilo kojeg toplinskog motora.
Efikasnost toplotnog motora
Radni fluid, primajući određenu količinu toplote Q1 od grejača, daje deo te količine toplote, jednak modulu |Q2|, frižideru. Dakle, obavljeni rad ne može biti veći od A = Q1 -- |Q2|. Omjer ovog rada i količine topline koju primi ekspandirajući plin iz grijača naziva se efikasnost toplotnog motora:
Efikasnost toplotnog motora koji radi u zatvorenom ciklusu je uvijek manja od jedan. Zadatak termoenergetike je da efikasnost bude što veća, odnosno da se što više toplote dobijene od grijača iskoristi za proizvodnju rada. Kako se to može postići?
Po prvi put, najsavršeniji ciklički proces, koji se sastoji od izoterme i adijabata, predložio je francuski fizičar i inženjer S. Carnot 1824. godine.
Carnot ciklus.
Pretpostavimo da se plin nalazi u cilindru čiji su zidovi i klip izrađeni od toplinsko-izolacijskog materijala, a dno je od materijala visoke toplinske provodljivosti. Zapremina koju zauzima plin jednaka je V1.
Slika 2
Dovedemo cilindar u kontakt sa grijačem (slika 2) i pustimo plin da se izotermično širi i izvrši rad. Plin prima određenu količinu topline Q1 od grijača. Ovaj proces je grafički predstavljen izotermom (kriva AB).
Slika 3
Kada zapremina gasa postane jednaka određenoj vrednosti V1"< V2, дно цилиндра изолируют от нагревателя, после этого газ расширяется адиабатно до объема V2, соответствующего максимально возможному ходу поршня в цилиндре (адиабата ВС). При этом газ охлаждается до температуры T2 < T1.
Ohlađeni plin se sada može izotermno komprimirati na temperaturi T2. Da bi se to postiglo, mora se dovesti u kontakt sa tijelom iste temperature T2, odnosno sa hladnjakom, a plin mora biti komprimiran vanjskom silom. Međutim, u ovom procesu plin se neće vratiti u prvobitno stanje - njegova temperatura će uvijek biti niža od T1.
Stoga se izotermna kompresija dovodi do određenog srednjeg volumena V2">V1 (CD izoterma). U tom slučaju plin predaje hladnjaku određenu količinu topline Q2, jednaku radu kompresije koji se na njemu vrši. , gas se adijabatski komprimira do zapremine V1, dok mu temperatura raste do T1 (adijabatski DA) Sada se gas vratio u prvobitno stanje, u kojem je njegov volumen V1, temperatura je T1, pritisak je p1, a ciklus se može ponovio ponovo.
Dakle, u ABC sekciji gas radi (A > 0), au delu CDA rad se obavlja na gasu (A< 0). На участках ВС и AD работа совершается только за счет изменения внутренней энергии газа. Поскольку изменение внутренней энергии UBC = -UDA, то и работы при адиабатных процессах равны: АВС = -АDA. Следовательно, полная работа, совершаемая за цикл, определяется разностью работ, совершаемых при изотермических процессах (участки АВ и CD). Численно эта работа равна площади фигуры, ограниченной кривой цикла ABCD.
Samo dio količine topline QT primljene od grijača, jednak QT1- |QT2|, zapravo se pretvara u koristan rad. Dakle, u Carnot ciklusu, korisni rad je A = QT1 - |QT2|.