Физическая основа и виды тепловых двигателей (стр. 2 из 10)

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. Примерная схема работы машины Ползунова представлена в Приложении, рис 4.

Создателем другого 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.
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. Примерная схема работы машины Уатта представлена в Приложении, рис 5.
Сегодня один из самых распространенных тепловых двигателей - двигатель внутреннего сгорания (ДВС) . Его устанавливают на автомобили, корабли, тракторы, моторные лодки и т.д., во всем мире насчитываются сотни миллионов таких двигателей.

3. Физическая основа тепловых двигателей

Совершение механической работы в современных машинах и механизмах в основном происходит за счет внутренней энергии веществ.

Тепловой двигатель – устройство, преобразующее внутреннюю энергию топлива в механическую энергию

Невозможно представить себе современную цивилизацию без тепловых двигателей.

Механическая работа в двигателе совершается при расширении рабочего вещества, перемещающего поршень в цилиндре. Для цикличной, непрерывной работы двигателя необходимо возвращения поршня в его первоначальное положение, т.е. сжатие рабочего вещества. Легко сжимаемым веществом является вещество в газообразном состоянии, поэтому в качестве рабочего вещества в тепловых двигателях используется газ или пар.

Работы теплового двигателя состоит из периодически повторяющихся процессов расширения и сжатия газа. Сжатие газа не может быть самопроизвольным, оно происходит только под действием внешней силы, например за счет энергии, запасенной маховиком двигателя при расширении газа.

Полная механическая работа А складывается из работы расширения газа А_расши работы сжатия газа А_сж, совершаемой силами давления газа при его сжатии. Так как при сжатии ΔV<0, то А_{сж = -} |А_сж|<0, поэтому

А= А_{расш -}|А_сж|.

Для получения положительной полной механической работы (А>0) необходимо, чтобы работа сжатия газа была меньше работы его расширения.

С учетом формулы: A=pΔV имеем А=(p_{расш -}p_сж)ΔV.

Изменение объема ΔV газа при расширении и сжатии должно быть одинаковым из-за цикличности работы двигателяю.

Следовательно, давление газа при сжатии должно быть меньше его давления при расширении. При одном и том же объеме газа тем меньше, чем ниже его температура, поэтому перед сжатием газ должен быть охлажден, т.е. приведен в контакт с холодильной машиной – телом, имеющим более низкую температуру. Для получения механической работы в тепловом двигателе при циклическом процессе расширение газа должно происходить при более высокой температуре, чем сжатие.

Необходимое условие дл циклического получения механической работы в тепловом двигателе – наличие нагревателя и холодильника.

Вещество, производящее работу в тепловых машинах, называют рабочим телом или рабочим веществом. В паровых машинах рабочим телом является водяной пар, в двигателях внутреннего сгорания – газ. Тепловые машины могут быть устроены различно, но все они обладают общим свойством – периодичностью действия, или цикличностью, в результате чего рабочее тело возвращается в исходное состояние.

Циклы основных современных тепловых двигателей показаны на рисунке 1.

Полезная работа, совершённая этими двигателями, численно равна площади фигур, ограниченных графиками тепловых процессов, происходящих с рабочим телом.

4. Виды тепловых двигателей

4.1 Паровые двигатели.

4.1.1 Паросиловая станция.

Паросиловая станция. Работа этих двигателей производится посредством пара. В огромном большинстве случаев — это водяной пар, но возможны машины, работающие с парами других веществ (например, ртути). Паровые турбины ставятся на мощных электрических станциях и на больших кораблях. Поршневые двигатели в настоящее время находят применение только в железнодорожном и водном транспорте (паровозы и пароходы).

Для работы парового двигателя необходим ряд вспомогательных машин и устройств. Все это хозяйство вместе носит название паросиловой станции. На паросиловой станции все время циркулирует одна и та же вода.

Вода превращается в пар в котле, пар производит работу в турбине (или в поршневой машине) и снова превращается в воду в барабане, охлаждаемом проточной водой (конденсатор). Из конденсатора получившаяся вода посредством насоса через сборный, бак (сборник) снова направляется в котел.

В этой схеме паровой котел является нагревателем, а конденсатор — холодильником. Так как в установке циркулирует практически одна и та же вода (утечка пара невелика и добавлять воды почти не приходится), то в котле почти не получается накипи, т. е. осаждения растворенных в воде солей. Это важно, так как накипь плохо проводит тепло и уменьшает коэффициент полезного действия котла. В случае появления накипи на стенках котла ее удаляют.

4.1.2 Паровая турбина.

Паровая турбина – тепловой двигатель ротационного типа, преобразующий потенциальную энергию пара сначала в кинетическую энергию и далее в механическую работу. Паровые турбины применяются преимущественно на электростанциях и на транспортных силовых установках – судовых и локомотивных, а также используются для приведения в движение мощных воздуходувок и других агрегатов.

Турбина (см. рисунок 4) состоит из стального цилиндра, внутри которого находится вал с укрепленными на нем рабочими колесами. На рабочих колесах находятся особые изогнутые лопатки (b). Между рабочими колесами помещаются сопла или направляющие лопатки (a). Пар, вырываясь из промежутков между направляющими лопатками, попадает на лопатки рабочего колеса. Рабочее колесо при этом вращается, производя работу. Причиной вращения колеса в паровой турбине является реакция струи пара. Внутри турбины пар расширяется и охлаждается. Входя в турбину по узкому паропроводу, он выходит из нее по очень широкой трубе.

После турбины или поршневой машины пар поступает в конденсатор, играющий роль холодильника. В конденсаторе пары должны превратиться в воду. Но пар конденсируется в воду только в том случае, если отводится выделяющаяся при конденсации теплота испарения. Это делают при помощи холодной воды. Например, конденсатор может быть устроен в виде барабана, внутри которого расположены трубы с проточной холодной водой.

В зависимости от степени расширения пара в рабочих лопатках различают активные и реактивные турбины. Пар в активной турбине расширяется только в соплах, и его давление при прохождении каждого венца с рабочими лопатками не изменяется. Поэтому активная турбина называется также турбиной равного давления. В соплах реактивных турбин в отличие от активных происходит лишь частичное расширение пара; дальнейшее расширение происходит в рабочих лопатках. Поэтому иногда реактивная турбина называется турбиной избыточного давления.