W dmuchawach wyporowych
Dmuchawy objętościowe:
tłok
obrotowy
Ekspandery tłokowe
Lakierki
Pompy to hydrauliczne maszyny do podnoszenia i przenoszenia cieczy.
Ostrza (odśrodkowe, osiowe, wirowe)
wolumetryczny (tłok, tłok)
Obrotowy (przekładnia, suwak, śruba)
Jet (wtryskiwacze i eżektory).
W pompach wolumetrycznych energia przekazywana jest poprzez wymuszone działanie płynu roboczego na przemieszczany czynnik i jego przemieszczenie. W pompach łopatkowych przeróbka mech. Energia w hydraulice wytwarzana jest przez obracające się koło wyposażone w łopatki.
Wentylatory
Wentylatory to urządzenia mechaniczne służące do przemieszczania powietrza kanałami lub do bezpośredniego nawiewu lub wywiewu powietrza z pomieszczenia. Ruch powietrza następuje z powodu powstania różnicy ciśnień między wlotem a wylotem wentylatora.
Fani są podzieleni na typy według kilku wskaźników:
Sprężarki
Kompresor nazywana dmuchawą przeznaczoną do sprężania i dostarczania powietrza lub dowolnego gazu pod ciśnieniem co najmniej 0,2 MPa.
Sprężarki wyporowe działają na zasadzie wyporu, gdy ciśnienie transportowanego medium wzrasta w wyniku ściskania. Należą do nich sprężarki tłokowe i rotacyjne.
Sprężarki dynamiczne działają na zasadzie działania siły na poruszające się medium. Należą do nich turbosprężarki łopatkowe (promieniowe, odśrodkowe, osiowe) i doładowania cierne (wirowe, tarczowe, strumieniowe itp.).
wiatrowskaz zwane kompresorami, w których medium porusza się dzięki energii przekazanej do niego podczas opływania łopatek wirnika.
Klasyfikacja silników cieplnych:
Silniki cieplne są maszyny, w których energia cieplna środowisko pracy przekształcone w pracę mechaniczną.
Silniki cieplne:
Turbiny parowe. Para wytwarzana w kotle parowym rozprężająca się pod wysokie ciśnienie przechodzi przez łopatki turbiny. Turbina obraca się i wytwarza energię mechaniczną, która jest wykorzystywana przez generator do produkcji energii elektrycznej.
Turbina gazowa to ciągły silnik cieplny, w którym energia sprężonego i ogrzanego gazu jest zamieniana na pracę mechaniczną na wale w aparacie łopatkowym. Silnik Stirlinga jest silnikiem zewnętrznym. W silniku spalinowym paliwo spala się wewnątrz cylindrów, a energia cieplna uwalniana podczas tego procesu zamieniana jest na pracę mechaniczną.
wydajność sprężarki.
W sektorze energetycznym efektywność jest zwykle rozumiana jako stosunek użytej energii do całości zużytej energii. A im wyższy procent zużytej energii użytkowej w stosunku do całkowitej zużytej ilości, tym wyższa wydajność. W przypadku maszyn kompresorowych takie określenie wydajności okazuje się nie do przyjęcia.
Dlatego, aby ocenić stopień doskonałości prawdziwych maszyn kompresorowych, porównuje się je z idealnymi. Jednocześnie wprowadza się sprawność izotermiczną dla sprężarek chłodniczych:
„na zewnątrz” = Liz / ld = Niz / Nd
liz - praca nad napędem idealnej sprężarki pod kompresją izotermiczną,
ld - rzeczywista praca na napędzie rzeczywistej sprężarki chłodzonej,
Niz, Nd - odpowiednia moc silników napędowych;
Zalety CCGT
· Instalacje o cyklu łączonym umożliwiają osiągnięcie sprawności elektrycznej powyżej 50%. Niski koszt na jednostkę mocy zainstalowanej
Rośliny o cyklu łączonym zużywają znacznie mniej wody na jednostkę wytworzonej energii elektrycznej w porównaniu do elektrowni parowych
· Krótki czas erekcja (9-12 miesięcy)
Brak konieczności stałego dostarczania paliwa drogą kolejową lub morską
· Kompaktowe wymiary pozwalają na zabudowę bezpośrednio u odbiorcy (fabryka lub w mieście), co zmniejsza koszty linii energetycznych i transportu energii elektrycznej. energia
Bardziej przyjazne dla środowiska w porównaniu do elektrowni z turbinami parowymi
Wady CCGT
· Niska moc jednostkowa urządzeń (160-972,1 MW na 1 blok), przy czym nowoczesne elektrociepłownie mają moc jednostkową do 1200 MW, a elektrownie jądrowe 1200-1600 MW.
Konieczność filtrowania powietrza wykorzystywanego do spalania paliwa
Miejsce i rola silników cieplnych w systemach ciepłowniczych i zasilających przedsiębiorstw przemysłowych
Najczęściej spotykane w gospodarka narodowa otrzymane pompy łopatkowe. Wytworzone przez nie ciśnienie może przekroczyć 3500 m, a przepływ - 100 000 m3/hw jednej jednostce.
W elektrociepłowniach pompy odśrodkowe wykorzystywane są do zasilania kotłów, zasilenia w kondensat instalacji regeneracyjnego ogrzewania wody zasilającej, wody obiegowej do kondensatorów turbin oraz wody sieciowej w instalacjach grzewczych.
W ostatnie czasy ze względu na wzrost mocy turbin parowych w agregaty skraplające czasami stosuje się pompy osiowe.
Pompy odśrodkowe i strumieniowe znajdują zastosowanie w elektrowniach cieplnych w hydraulicznych układach odpopielania.
Pompy strumieniowe służą do usuwania powietrza ze skraplaczy turbin parowych.
Spośród pomp wolumetrycznych w energetyce cieplnej pompy tłokowe służą do zasilania kotłów parowych o małej wydajności pary. Pompy rotacyjne znajdują zastosowanie w elektrowniach w układach smarowania i sterowania turbin.
W elektrociepłowniach stosuje się sprężarki tłokowe do przedmuchu powierzchni grzewczych kotłów w celu oczyszczenia ich z popiołu lotnego i sadzy oraz zasilania skompresowane powietrze pneumatyczne narzędzie do naprawy.
5-2. Klasyfikacja i zakres dmuchaw wyporowych i ekspanderów tłokowych
Doładowanie to maszyna hydrauliczna, w której zachodzi transformacja Praca mechaniczna w energię mechaniczną środowiska pracy. Głównym zadaniem doładowania jest zwiększenie całkowitego ciśnienia transportowanego medium.
W dmuchawach wyporowych wzrost energii ciała roboczego osiąga się przez działanie siły stałych ciał roboczych.
Dmuchawy objętościowe:
tłok- praca z ruchem do przodu ciało robocze,
obrotowy- doładowania pracujące przy ruch obrotowy ciało robocze.
Celem ekspanderów jest maksymalny spadek temperatury podczas rozprężania gazu przy zewnętrzna praca. Dwa główne typy: tłokowe i turboekspandery. Te pierwsze znajdują zastosowanie w instalacjach o małej wydajności o wysokim i średnim ciśnieniu powietrza. Te ostatnie są używane głównie w duże instalacje, gdzie rozprężanie się w nich gazów następuje głównie pod wpływem niskiego ciśnienia.
Ekspandery tłokowe działają przy wyższych początkowych temperaturach gazu do temperatur środowisko(proces Heilandta). Turbo ekspandery, poza okresem rozruchu, pracują w niższych temperaturach.
Praca wykonywana przez ekspander służy do wytwarzania energii elektrycznej. Pozwala to w instalacjach tlenowych gazowych na zmniejszenie zużycia energii na sprężanie powietrza wchodzącego do instalacji o 3-4%.
Ekspandery tłokowe
Rozprężacze tłokowe gazowych instalacji tlenowych są przeznaczone do chłodzenia względnie małe ilości powietrze (kilkaset metry sześcienne na godzinę)” przy wysokich stopniach rozprężania (od 6 do 30). Zasada działania rozpieraków tłokowych polega na przeniesieniu pracy rozprężania gazu w cylindrze na wał korbowy maszyny poprzez mechanizm korbowy. Produkowane są ekspandery tłokowe w wersji pionowej i poziomej, w zależności od początkowych parametrów powietrza, odnoszą się do maszyn wysoko lub średniociśnieniowych.
Workflow w ekspanderze składa się z sześciu procesów.
Proces 1-2 (napełnianie) przebiega przy otwartym zaworze wlotowym
Proces 2-3 (rozprężanie) przebiega przy zamkniętych zaworach; ilość gazu w butli jest stała.
Proces 3-4 (wydech) ma miejsce, gdy tłok znajduje się w dolnym martwym punkcie. Rozprężony gaz wychodzi przez otwarty zawór wydechowy.
Proces 4-5 (wypychanie) następuje, gdy tłok oddala się od BDC. Rozprężony i schłodzony gaz pod stałym ciśnieniem wypychany jest z butli do rurociągu za ekspanderem, gdzie miesza się z częścią gazu, która została uwolniona z butli w procesie 3-4. Wyrzut kończy się w punkcie 5, gdy zawór wydechowy się zamyka.
Proces 5-6 (odwrotna kompresja). Podczas tego procesu pozostały gaz w cylindrze jest sprężany, gdy tłok powraca do GMP. W rezultacie wzrasta ciśnienie i temperatura gazu. Proces 6-1 (wlot) rozpoczyna się w punkcie 6, gdy otwiera się zawór wlotowy.
Na ryc. 85 przedstawia wykresy indykatorowe rzeczywistego średniociśnieniowego ekspandera.
a - wykres ciśnienia; b - wykres temperatury
Zapasy energii wewnętrznej w skorupa Ziemska a oceany można uznać za praktycznie nieograniczone. Ale posiadanie rezerw energii nie wystarczy. Niezbędne jest wykorzystanie energii do wprawiania w ruch obrabiarek w fabrykach i fabrykach, środków transportu, traktorów i innych maszyn, do obracania wirników generatorów. prąd elektryczny itd. Ludzkość potrzebuje silników - urządzeń zdolnych do wykonywania pracy.
Nieodwracalność procesów w przyrodzie nakłada pewne ograniczenia na możliwość wykorzystania energii wewnętrznej do wykonywania pracy w silnikach cieplnych.
Rola silników cieplnych w rozwoju energetyki cieplnej i transportu. Większość silników na Ziemi to silniki cieplne, czyli urządzenia zamieniające energię wewnętrzną paliwa na energię mechaniczną.
Największe znaczenie ma zastosowanie silników cieplnych (głównie potężnych turbin parowych) w elektrociepłowniach, gdzie napędzają one wirniki generatorów prądu elektrycznego. Ponad 80% całej energii elektrycznej w naszym kraju wytwarzane jest w elektrowniach cieplnych.
Turbiny parowe silników cieplnych - również zainstalowane na wszystkich elektrownie jądrowe. Na tych stacjach, aby uzyskać parę wysoka temperatura wykorzystywana jest energia jąder atomowych.
Ponadto wszystkie główne rodzaje nowoczesnego transportu wykorzystują głównie silniki cieplne. Stosowany w transporcie drogowym silniki tłokowe silniki spalinowe z zewnętrznym tworzeniem mieszanki palnej (silniki gaźnikowe) oraz silniki z tworzeniem mieszanki palnej bezpośrednio w cylindrach (silniki wysokoprężne) Te same silniki montowane są w ciągnikach niezbędnych w rolnictwie.
W transporcie kolejowym do połowy XX wieku. głównym silnikiem był silnik parowy. Obecnie lokomotywy spalinowe są używane głównie z instalacje diesla i lokomotywy elektryczne. Ale lokomotywy elektryczne również ostatecznie otrzymują energię głównie z silników cieplnych elektrowni.
Na transport wodny stosowane są zarówno silniki spalinowe, jak i potężne turbiny parowe dla dużych statków.
W lotnictwie silniki tłokowe są instalowane na lekkich samolotach, a silniki turboodrzutowe i odrzutowe, które również należą do silników cieplnych, są instalowane na ogromnych liniowcach. Silniki odrzutowe są również wykorzystywane w rakietach kosmicznych.
Bez silników cieplnych współczesna cywilizacja nie do pomyślenia. Nie mielibyśmy pod dostatkiem taniej energii elektrycznej i zostalibyśmy pozbawieni wszelkich form szybkiego transportu.
Główny warunek działania silników cieplnych. We wszystkich silnikach cieplnych podczas spalania paliwo podnosi temperaturę płynu roboczego o setki lub tysiące stopni w stosunku do otoczenia. W tym przypadku ciśnienie płynu roboczego wzrasta w porównaniu z ciśnieniem otoczenia, tj. Atmosfera, a ciało wykonuje pracę dzięki swojej energii wewnętrznej. Płynem roboczym wszystkich silników cieplnych jest gaz.
Żaden silnik cieplny nie może pracować w tej samej temperaturze płynu roboczego i otoczenia. Zdolny Równowaga termiczna nie zachodzą żadne procesy makroskopowe; w szczególności nie można wykonać żadnej pracy.
Silnik cieplny wykonuje pracę dzięki energii wewnętrznej w procesie przekazywania ciepła z ciał cieplejszych do zimniejszych. W takim przypadku wykonana praca jest zawsze mniejsza niż ilość ciepła odbieranego przez silnik z gorącego korpusu (grzałki). Część ciepła przekazywana jest do chłodniejszego ciała (lodówki).
Rola lodówki Dowiedz się dlaczego w pracy silnik cieplny część ciepła jest przekazywana do lodówki.
Przy adiabatycznej ekspansji gazu w cylindrze (ryc. 45) praca jest wykonywana z powodu utraty energii wewnętrznej bez przenoszenia ciepła do lodówki. Zgodnie ze wzorem (4.14) . W procesie izotermicznym całe ciepło przekazane do gazu jest równe pracy; .
Jednak zarówno w pierwszym, jak i drugim procesie praca odbywa się przy jednokrotnym rozprężeniu gazu do ciśnienia równego ciśnieniu zewnętrznemu (na przykład ciśnienie atmosferyczne). Silnik musi pracować przez długi czas. Jest to możliwe tylko wtedy, gdy wszystkie części silnika (tłoki, zawory itp.) wykonują ruchy, które powtarzają się w regularnych odstępach czasu. Silnik musi okresowo powracać do pierwotnego stanu po jednym cyklu pracy; lub w silniku musi być wykonany proces niezmienny w czasie (stacjonarny) (na przykład ciągły obrót turbiny).
Aby przywrócić gaz w butli do pierwotnego stanu, należy go skompresować. Aby skompresować gaz, należy nad nim popracować. Praca kompresji będzie mniej pracy, wykonywane przez sam gaz podczas rozprężania, jeśli gaz jest sprężany w niższej temperaturze, a zatem pod niższym ciśnieniem, niż miało to miejsce podczas rozprężania gazu. Aby to zrobić, konieczne jest schłodzenie gazu przed sprężaniem lub w trakcie sprężania poprzez przeniesienie pewnej ilości ciepła do lodówki.
W silnikach stosowanych w praktyce gaz (wylotowy) (lub para), który zakończył pracę, nie jest chłodzony przed kolejnym sprężaniem, ale jest uwalniany z silnika i kolejny cykl pracy rozpoczyna się z nową porcją gazu. Spaliny mają wyższą temperaturę niż otaczające je ciała i przekazują im trochę ciepła.
Aby obrócić turbinę parową, gorąca para jest stale dostarczana do jej łopatek pod wielka presja, który po pracy jest schładzany i wyjmowany z turbiny. Chłodząc i kondensując, para przenosi ciepło do otaczających ciał.
W turbinie parowej lub maszynie nagrzewnica to kocioł parowy, a lodówka to atmosfera lub specjalne urządzenia do chłodzenia i kondensacji pary odlotowej - skraplacze. W silnikach spalinowych wzrost temperatury następuje podczas spalania paliwa wewnątrz silnika, a „grzałką” są same gorące produkty spalania. Lodówka służy również jako atmosfera, w której emitowane są spaliny.
Na kolorowej wkładce przedstawiono schemat ideowy silnika cieplnego.Płyn roboczy silnika odbiera ilość ciepła z grzałki, wykonuje pracę A i przekazuje ilość ciepła do lodówki
Kolejne sformułowanie drugiej zasady termodynamiki. Niemożność całkowitej konwersji energii wewnętrznej na pracę w silnikach cieplnych powracających okresowo do stanu pierwotnego wynika z nieodwracalności procesów w przyrodzie i leży u podstaw innego sformułowania drugiej zasady termodynamiki.
To sformułowanie należy do angielskiego naukowca W. Kelvina: niemożliwe jest przeprowadzenie takiego okresowego procesu, którego jedynym skutkiem byłoby uzyskanie pracy dzięki ciepłu pobranemu z jednego źródła.
Oba sformułowania drugiej zasady termodynamiki wzajemnie się determinują. Gdyby ciepło mogło samorzutnie przenosić się z lodówki do grzałki, wówczas energię wewnętrzną można by całkowicie zamienić na pracę za pomocą dowolnego silnika cieplnego.
Termodynamika techniczna. Podstawowe pojęcia i definicje
A.N. Kartashevich, V.G. Kostenich, O.V.
K 27 Ciepłownictwo: cykl wykładów. Część 1. - Gorki: Białoruska Państwowa Akademia Rolnicza, 2011. 48 s.
ISBN 978-985-467-319-6
Rozważane są główne parametry i równania stanu gazów doskonałych, pojęcie i rodzaje pojemności cieplnej, mieszaniny gazów doskonałych oraz metody określania ich parametrów. Podano sformułowania i główne postanowienia pierwszej i drugiej zasady termodynamiki, a także analizę głównych procesów termodynamicznych gazów doskonałych.
Dla studentów specjalności 1-74 06 01 - Obsługa techniczna rolniczych procesów produkcyjnych, 1-74 06 04 - Obsługa techniczna prac melioracyjnych i gospodarki wodnej, 1-74 06 06 - Obsługa logistyczna kompleksu rolno-przemysłowego.
Tabele 4. Ryciny 27. Bibliogr. 12.
Recenzenci: A.S. DOBYSZEW, doktor nauk technicznych nauk ścisłych, profesor, kierownik. Zakład Mechanizacji Hodowli Zwierząt i Elektryfikacji Produkcji Rolnej (UO „BSAA”); W.G. dr SAMOSYUK gospodarka Nauki, CEO Republikańskie przedsiębiorstwo unitarne „NPC Narodowej Akademii Nauk Białorusi dla mechanizacji rolnictwa”.
UKD 621,1 (075.8)
BBC 31.3ya73
Ciepło jest wykorzystywane we wszystkich obszarach działalności człowieka - do wytwarzania energii elektrycznej, napędu pojazdów i różnych mechanizmów, ogrzewania pomieszczeń, a także na potrzeby technologiczne.
Obecnie główną metodą pozyskiwania ciepła jest spalanie paliw kopalnych – węgla, ropy i gazu, które zaspokajają około 90% potrzeb energetycznych ludzkości. Dane o zużyciu energii na świecie za ostatnie lata a jego rozmieszczenie według gatunków przedstawiono w tabeli. jeden .
Tabela 1. Struktura światowego zużycia energii w latach 1998–2008
Jak widać z tabeli. 1 danych, globalne zużycie energii rośnie z roku na rok. Populacja i potrzeby ludzkie stale rosną, a to powoduje wzrost wielkości produkcji energii i tempa wzrostu jej zużycia.
Zasoby ropy naftowej, gazu i węgla nie są jednak nieograniczone i według prognoz wystarczą sprawdzone zasoby: ropa na 40 lat, gaz na 60 lat, węgiel na 120 lat. Zasoby naturalnego uranu wystarczają na zaspokojenie potrzeb energetycznych świata na około 85 lat.
Kolejnym czynnikiem ograniczającym dalszy wzrost produkcji energii poprzez spalanie paliw jest coraz większe zanieczyszczenie środowiska produktami jej spalania. Nie mniej niebezpieczne jest zanieczyszczenie termiczne środowiska, prowadzące do: globalne ocieplenie oraz zmiany klimatu, topnienie lodowców i podnoszenie się poziomu mórz.
W energetyce jądrowej pojawiają się różnego rodzaju problemy środowiskowe, związane z koniecznością unieszkodliwiania odpadów jądrowych, co również jest obarczone dużymi trudnościami.
Znajomość podstawy teoretyczne ciepłownictwo.
PODSTAWY TERMODYNAMIKI*
Lekcja #6
Temat. Rola silników cieplnych w gospodarce narodowej. Problemy środowiskowe związane z ich użyciem
Cel: pogłębienie wiedzy studentów na temat fizycznych zasad działania silników cieplnych, ich ekonomicznego zastosowania, zapoznanie studentów z osiągnięciami nauki i techniki w doskonaleniu silników cieplnych; rozwijać kompetencje komunikacyjne, umiejętność analizowania, wyciągania wniosków; kształtowanie świadomego podejścia do ochrony środowiska, kształcenie zainteresowań fizykami, pobudzanie twórczej aktywności uczniów.
Rodzaj lekcji: lekcja generalizacji i systematyzacji wiedzy.
Forma prowadzenia: lekcja-seminarium.
Wyposażenie: karty z napisami: historycy, ekolodzy, portrety fizyków.
II. Występy grupowe
Historyk. W 1696 r. angielski inżynier Thomas Savery (1650-1715) wynalazł pompę parową do podnoszenia wody. Służył do pompowania wody w kopalniach cyny. Jego praca polegała na chłodzeniu podgrzanej pary, która po sprężeniu tworzyła próżnię, która wciągała wodę z kopalni do rury.
1707 r. zainstalowano pompę Savery w letni ogród W Petersburgu. Angielski mechanik Thomas Newcomen (1663-1729) stworzył w 1705 roku maszynę parową do pompowania wody z kopalń. W 1712 roku, korzystając z pomysłów Papena i Savery'ego, Newcomen zbudował maszynę, która była używana w kopalniach Anglii do połowy XVIII wieku.
Pierwszy praktyczny maszyny uniwersalne zostały stworzone przez rosyjskiego wynalazcę I. Polzunova (1766) i Anglika D. Watta (1774)
Parowóz Polzunowa miał wysokość 11 m, objętość kotła 7 m3, wysokość cylindra 2,8 m i moc 29 kW. Maszyna ta długo pracowała w jednym z zakładów górniczych w Rosji.
Historyk. W 1765 r. J. Watt zaprojektował, a później ulepszył całkowicie nowy typ silnika parowego. Jego maszyna mogła nie tylko wypompowywać wodę, ale także zapewniać ruch obrabiarkom, statkom i załogom. Do 1784 r. faktycznie ukończono tworzenie uniwersalnej maszyny parowej, która stała się głównym sposobem pozyskiwania energii w produkcji przemysłowej. W latach 1769-1770 francuski wynalazca Nicolas Joseph Cugnot (1725-1804) zaprojektował wagon parowy, prekursor samochodu. Nadal jest przechowywany w Muzeum Sztuki i Rzemiosła w Paryżu.
W 1807 r. Amerykanin Robert Fulton (1765-1815) popłynął zbudowanym przez siebie parowcem Clermont wzdłuż rzeki Hudson. 25 lipca 1814 r. lokomotywa angielskiego wynalazcy George'a Stephensona (1781-1848) ciągnęła po kolei wąskotorowej 30 ton ładunku w 8 wagonach z prędkością 6,4 km/h. W 1823 roku Stephenson założył pierwszą fabrykę lokomotyw. W 1825 r. uruchomiono pierwszą linię kolejową ze Stockton do Darlington, a w 1830 r. publiczną linię kolejową między centrami przemysłowymi Liverpoolu i Manchesteru. James Nesmith (1808-1890) stworzył w 1839 roku niezwykle potężny młot parowy, który zrewolucjonizował przemysł metalurgiczny. Opracował również kilka nowych maszyn do obróbki metalu.
Tak rozpoczął się rozkwit przemysłu i szyny kolejowe- najpierw w Wielkiej Brytanii, a następnie w innych krajach świata.
Nauczyciel. Pamiętajmy, jak działa silnik cieplny.
Mechanik. Silniki cieplne to maszyny, w których energia wewnętrzna zamieniana jest na energię mechaniczną.
Istnieje kilka rodzajów silników cieplnych: silnik parowy, silniki spalinowe, turbiny parowe i gazowe, silnik odrzutowy. We wszystkich tych silnikach energia paliwa jest najpierw przekształcana w energię gazu (pary). Rozprężając się, gaz (para) wykonuje pracę i jednocześnie chłodzi, część jego energii wewnętrznej jest zamieniana na energię mechaniczną. Dlatego silnik cieplny ma grzałkę, płyn roboczy i lodówkę. Zostało to ustanowione w 1824 roku przez francuskiego naukowca Sadi Carnota. Zasadę działania takiej maszyny można przedstawić za pomocą schematu (ryc. 1).
Ponadto Carnot stwierdził, że silnik musi pracować w cyklu zamkniętym, a najkorzystniejszy jest cykl składający się z dwóch procesów izotermicznych i dwóch adiabatycznych. Nazywa się to cyklem Carnota i można go przedstawić graficznie (ryc. 2).
Z wykresu widać, że płyn roboczy wykonuje pracę użyteczną, która jest liczbowo równa obszarowi opisanemu przez cykl, czyli obszarowi 1 - 2 - 3 - 4 - 1.
Prawo zachowania i transformacji energii dla cyklu Carnota polega na tym, że energia otrzymana przez ciało robocze ze środowiska jest równa energii przekazanej do środowiska. Silniki cieplne działają dzięki różnicy ciśnienia gazu na powierzchniach tłoków lub łopatek turbiny. Ta różnica ciśnień jest generowana przez różnicę temperatur. To jest zasada działania silników cieplnych.
Mechanik. Jednym z najpopularniejszych typów silników cieplnych jest silnik spalinowy (ICE), który jest obecnie stosowany w różnych pojazdach. Przypomnij sobie strukturę takiego silnika: głównym elementem jest cylinder z tłokiem, w którym pali się paliwo.
Butla posiada dwa zawory - wlotowy i wylotowy. Ponadto działanie silnika zapewnia obecność świecy, mechanizmu korbowodu i wału korbowego połączonego z kołami samochodu. Silnik pracuje w czterech cyklach (rys. 3): A cykl jest wlotem mieszanki palnej; II suw - kompresja, pod koniec paliwa zapala się iskra ze świecy; III suw - suw roboczy, podczas tego suwu gazy powstające ze spalania paliwa, wykonując pracę, dociskając tłok w dół; IV suw - zwolnij, gdy spaliny i schłodzone gazy wychodzą na zewnątrz. Wykres obiegu zamkniętego, który charakteryzuje zmiany stanu gazu podczas pracy tego silnika, przedstawiono na rys. cztery.
Przydatna praca na cykl równa powierzchni ryciny 2 - 3 - 4 - 5 - 6 - 2. Rozprzestrzenianie się takich silników wynika z faktu, że mają niewielką masę, są zwarte i mają stosunkowo wysoką sprawność (teoretycznie do 80%, ale w praktyce - tylko 30%). Wadą jest to, że pracują na drogim paliwie, mają skomplikowaną konstrukcję, mają bardzo dużą prędkość obrotową wału silnika, a spaliny zanieczyszczają atmosferę.
Ekolog. Aby poprawić efektywność spalania w silnikach benzynowych (wzrost liczby oktanowej), dodają do tego różne substancje, głównie płyn etylowy, w skład którego wchodzi tetraetyl ołowiu, który pełni funkcję przeciwstukową (około 70% związków ołowiu jest uwalnianych do powietrza podczas pracy silników). Obecność nawet niewielkiej ilości ołowiu we krwi prowadzi do poważnych chorób, obniżenia inteligencji, nadmiernego pobudzenia, rozwoju agresywności, nieuwagi, głuchoty, niepłodności, opóźnienia wzrostu, zaburzeń aparatu przedsionkowego i tym podobnych.
Kolejnym problemem jest emisja tlenku węgla(II). Można sobie wyobrazić wielkość szkód spowodowanych przez CO, jeśli tylko jeden samochód emituje do powietrza około 3,65 kg tlenku węgla (II) dziennie (flota samochodów przekracza 500 mln, a natężenie ruchu samochodów np. na autostradach z Kijowa osiąga 50-100 tysięcy samochodów dziennie z godzinową emisją 1800-9000 kg CO do powietrza!).
Toksyczność CO dla ludzi polega na tym, że gdy dostaje się on do krwi, pozbawia erytrocyty (czerwone krwinki) zdolności do transportu tlenu, powodując głód tlenu, uduszenie, zawroty głowy, a nawet śmierć. Ponadto silniki spalinowe przyczyniają się do termicznego zanieczyszczenia atmosfery, temperatury powietrza w mieście, gdzie występuje duża liczba samochody, zawsze o 3-5 °C wyższa niż temperatura poza miastem.
Historyk. W latach 1896-1897 s. Niemiecki inżynier G. Diesel zaproponował silnik, który miał więcej wysoka wydajność niż to było w poprzednich. W 1899 roku silnik wysokoprężny został przystosowany do pracy na ciężkim paliwie płynnym, co doprowadziło do jego dalszego powszechnego stosowania.
Nauczyciel. Jakie są różnice między silnikami wysokoprężnymi a gaźnikowymi silnikami spalinowymi?
Mechanik. Silniki Diesla nie ustępują w dystrybucji silnikom gaźnikowym. Ich budowa jest prawie taka sama: cylinder, tłok, zawory dolotowe i wydechowe, korbowód, wał korbowy, koło zamachowe i nie ma świecy.
Wynika to z faktu, że paliwo nie zapala się od iskry, ale od wysokiej temperatury, która powstaje nad tłokiem z powodu gwałtownego sprężania powietrza. Do tego gorącego powietrza wtryskiwane jest paliwo, które spala się, tworząc mieszankę roboczą. Ten silnik to chotiritactovim, schemat jego działania pokazano na ryc. 5.
Użyteczna praca silnika jest równa powierzchni z rysunku 2 - 3 - 4 - 5 - 6 - 2. Takie silniki pracują na tanich paliwach, ich sprawność wynosi około 40%. Główną wadą jest to, że ich praca jest bardzo zależna od temperatury otoczenia (w niskich temperaturach nie mogą pracować).
Ekolog. Znaczący postęp w produkcji oleju napędowego sprawił, że silniki te są „czystsze” niż benzynowe; są już z powodzeniem stosowane w samochodach osobowych.
Spaliny silników wysokoprężnych prawie nie zawierają trującego tlenku węgla, ponieważ olej napędowy nie zawiera czteroetylu ołowiu. Oznacza to, że silniki wysokoprężne zanieczyszczają środowisko znacznie mniej niż silniki gaźnikowe.
Historyk. Kolejnymi silnikami cieplnymi, które rozważymy, będą turbiny parowe i gazowe. Ponieważ takie maszyny są wykorzystywane głównie w elektrowniach (cieplnych i jądrowych), za czas ich wprowadzenia do technologii należy uznać drugą połowę lat 30. XX wieku, choć pierwszy małe projekty takie jednostki powstały w latach 80. XIX wieku. Należy rozważyć projektanta pierwszej przemysłowej turbiny gazowej. M. Machowski.
W 1883 roku szwedzki inżynier G. Dach zaproponował pierwszy projekt jednostopniowej turbiny parowej, a w latach 1884-1885 s. Anglik C. Parson zaprojektował pierwszą wielostopniową turbinę. C. Parson w 1899 r. używał go w elektrowni wodnej w Elberfeld (Niemcy).
Mechanik. Działanie turbin opiera się na obrocie koła z łopatkami pod ciśnieniem pary wodnej lub gazu. Dlatego główną częścią roboczą turbiny jest wirnik - tarcza zamocowana na wale z łopatkami wzdłuż jego obrzeża. Para z kotła parowego kierowana jest specjalnymi kanałami (dyszami) na łopatki wirnika. W dyszach para rozszerza się, jej ciśnienie spada, ale wzrasta prędkość wypływu, to znaczy energia wewnętrzna pary jest przekształcana w energię kinetyczną strumienia.
Turbiny parowe są dwojakiego rodzaju: turbiny aktywne, których obrót wirników następuje w wyniku uderzenia strumini na łopatki, oraz turbiny odrzutowe, w których łopatki są umieszczone tak, że para wydostająca się ze szczeliny między nimi je, tworzy ciąg odrzutowy. Zaletami turbiny parowej są duża prędkość, znaczna moc i duża gęstość mocy. Sprawność turbin parowych sięga 25%. Można ją zwiększyć, jeśli turbina ma kilka stopni ciśnieniowych, składających się z naprzemiennych dysz i łopatek wirnika. Prędkość pary w takiej turbinie spada na łopatce roboczej, a następnie (po przejściu przez dyszę) ponownie wzrasta na skutek spadku ciśnienia. W ten sposób z etapu na etap ciśnienie pary sukcesywnie spada i wielokrotnie wykonuje pracę. Nowoczesne turbiny mają do 30 stopni.
Wadą turbin jest bezwładność, brak możliwości kontrolowania prędkości obrotowej, brak rewersu.
Ekolog. Zastosowanie turbin parowych w elektrowniach wymaga zmiany kierunku duże powierzchnie pod stawami, w których schładzana jest para odlotowa. Wraz ze wzrostem mocy elektrowni gwałtownie wzrasta zapotrzebowanie na wodę, ponadto w wyniku chłodzenia parą do otoczenia uwalniana jest duża ilość ciepła, co ponownie prowadzi do wzbudzenia termicznego i wzrostu temperatury na Ziemi.
Historyk. Silniki cieplne to silniki odrzutowe. Teoria takich silników została odtworzona w pracach E. K. Cielkowskiego, które powstały na początku XX wieku, a ich wprowadzenie wiąże się z nazwiskiem innego ukraińskiego wynalazcy - S. P. Korolowa. W szczególności pod jego kierownictwem powstały pierwsze silniki odrzutowe, które zastosowano w samolotach (1942), a później (1957) wystrzelono pierwszego satelitę kosmicznego i pierwszego załogowego satelitę. statek kosmiczny(1961). Jaka jest zasada działania silników odrzutowych?
Mechanik. Silniki cieplne, które wykorzystują napęd odrzutowy, nazywane są silnikami odrzutowymi. Zasada ich działania polega na tym, że paliwo po spaleniu zamienia się w gaz, który wypływa z dysz silnika z dużą prędkością, zmuszając samolot do wkroczenia przeciwny kierunek. Rozważ kilka typów takich silników.
Jednym z najprostszych w konstrukcji jest silnik strumieniowy. Jest to rura, do której nadchodzący przepływ wtłacza powietrze, a płynne paliwo jest do niej wtryskiwane i zapalane. Gorące gazy wylatują z rury z dużą prędkością, nadając jej ciąg odrzutowy. Wadą tego silnika jest to, że aby wytworzyć ciąg, musi poruszać się względem powietrza, czyli nie może sam wystartować. Najwyższa prędkość to 6000 – 7000 km/h.
Jeśli silnik odrzutowy ma turbinę i sprężarkę, taki silnik nazywa się turbosprężarką. Podczas pracy takiego silnika powietrze dostaje się do sprężarki przez wlot, gdzie jest sprężane i podawane do komory spalania, gdzie wtryskiwane jest paliwo. Tutaj jest zapalany, produkty spalania przechodzą przez turbinę, która obraca sprężarkę i wypływają przez dyszę, tworząc ciąg strumieniowy.
W zależności od rozkładu mocy silniki te dzielą się na turboodrzutowe i turbośmigłowe. Ci pierwsi spędzają większość swojej mocy na napędzie odrzutowym, a drudzy na obrotach turbiny gazowej.
Zaletą tych silników jest to, że mają większą moc, co zapewnia duże prędkości potrzebne do wzniesienia się w kosmos. Wady - duże gabaryty, niska wydajność, a także szkody jakie wyrządzają środowisku.
Ekolog. Ponieważ silniki odrzutowe również spalają paliwo, podobnie jak wszystkie silniki cieplne, zanieczyszczają środowisko. szkodliwe substancje które są uwalniane podczas spalania. To dwutlenek węgla (CO2) tlenek węgla(CO), związki siarki, tlenki azotu i inne. Jeśli podczas pracy silników samochodowych masy tych substancji wynosiły kilogramy, teraz są to tony i centy. Ponadto loty samolotów na dużych wysokościach, wystrzeliwanie rakiet kosmicznych, loty wojskowych pocisków balistycznych negatywnie wpływają na warstwę ozonową atmosfery, niszcząc ją. Obliczono, że sto kolejnych startów promu kosmicznego mogłoby prawie całkowicie zniszczyć ochronną warstwę ozonową ziemskiej atmosfery, Mistrzu. Jakie powinny być silniki przyszłości? Mechanik. Większość ekspertów uważa, że powinny to być silniki wodorowe, czyli takie, w których wodór będzie reagował z tlenem, w wyniku czego powstaje woda. Zmiany, które są prowadzone w tym kierunku dają wiele różne wzory podobne silniki: od tych, w których zbiorniki są napełnione odpowiednimi gazami, po maszyny, w których paliwem jest syrop cukrowy. Istnieją również konstrukcje, w których paliwem jest olej, alkohol, a nawet odpady biologiczne. Ale jak dotąd wszystkie te silniki istnieją tylko w postaci próbek eksperymentalnych, których jeszcze daleko do wprowadzenia do produkcja przemysłowa. Jednak nawet te wydarzenia dają nadzieję, że w przyszłości będziemy mieli maszyny o wiele czystsze dla środowiska niż nowoczesne. I choć nie udało nam się jeszcze stworzyć silnika cieplnego, który w ogóle nie zanieczyszczałby środowiska, będziemy dążyć do tego.
III. Praca domowa
Sprawdź pracę domową
opcja 1
1. Ciśnienie gazu pod tłokiem wynosi 490 kPa. Jaką pracę wykonuje gaz, jeśli jest? stałe ciśnienie podgrzany do dwukrotnie wyższej temperatury? Początkowa objętość gazu to 10 litrów.
2. Para wchodzi do turbiny w temperaturze 500 °C i wychodzi w temperaturze 30 °C. Traktując turbinę jako idealny silnik cieplny, oblicz jej sprawność.
3. A może powietrze w pomieszczeniu ostygnie, jeśli drzwi lodówki pozostaną otwarte?
Opcja 2
1. O ile zmienia się energia wewnętrzna 200 g helu wraz ze wzrostem temperatury o 20 K?
2. Temperatura grzałki idealnej maszyny wynosi 117 °C, a lodówki 27 °C. Ilość ciepła, jaką maszyna odbiera z grzałki w ciągu 1 s, wynosi 60 kJ. Oblicz wydajność maszyny, ilość ciepła, którą pobiera lodówka w ciągu 1 s oraz moc maszyny.
3. Kiedy sprawność silnika cieplnego jest wyższa: w zimną lub upalną pogodę?
Załącznik 1
Parowóz I. Polzunov
James Watt ulepszył pompę parową Newcomen, zwiększając jej wydajność. Jego maszyny parowe, wykonane w 1775 roku, pracowały w wielu fabrykach w Wielkiej Brytanii.
Trochę informacji o silniku |
silnik gaźnikowy |
silnik wysokoprężny |
ciało robocze |
Produkty spalania benzyny |
produkty spalania olej napędowy |
Olej napędowy |
||
Ciśnienie w butli |
1,5 106-3,5 106 Pa |
|
Temperatura sprężonego powietrza |
||
Temperatura produktów spalania |
||
20-25% (do 35%) |
30-38% (do 45%) |
|
Stosowanie |
W lekkich maszynach mobilnych o stosunkowo małej mocy ( samochody, motocykle itp.) |
W samochody ciężarowe dużej mocy, ciągniki, ciągniki, lokomotywy spalinowe, na stacjonarnych instalacjach elektrociepłowni |
Historia stworzenia |
Po raz pierwszy opatentowany w 1860 roku przez Francuza Lenoira; w 1878 r. zbudowano silnik o sprawności = 2% (niemiecki wynalazca Otto i inżynier Langen) |
Stworzony w 1893 roku przez niemieckiego inżyniera G. Diesel |
Załącznik 3
Schemat struktury silnika odrzutowego
Silniki cieplne są potrzebne do wytwarzania energii elektrycznej do napędzania większości pojazdów.
Największe znaczenie ma zastosowanie potężnych turbin parowych w elektrowniach do obracania wirników generatorów. Turbiny parowe są również instalowane w elektrowniach jądrowych, gdzie energia jąder atomowych jest wykorzystywana do produkcji pary o wysokiej temperaturze.
W nowoczesnym transporcie wykorzystywane są wszystkie typy silników cieplnych. Tłokowe silniki spalinowe są stosowane w samochodach, ciągnikach, kombajnach samobieżnych, lokomotywach spalinowych, turbinach gazowych w lotnictwie i silnikach odrzutowych w rakietach kosmicznych.
Silniki cieplne zapewniają trochę Szkodliwe efekty na środowisko:
W związku z tym problem ochrony przyrody stał się bardzo ważny. W celu ochrony środowiska konieczne jest zapewnienie:
Zastosowanie wodoru jako paliwa do silników cieplnych jest obiecujące: podczas spalania wodoru powstaje woda. Trwają intensywne badania nad stworzeniem pojazdów elektrycznych, które mogą zastąpić samochody napędzane benzyną.
Aksenovich L. A. Fizyka w Liceum: Teoria. Zadania. Testy: proc. dodatek dla instytucji świadczących usługi ogólne. środowiska, edukacja / L. A. Aksenovich, N. N. Rakina, K. S. Farino; Wyd. K.S. Farino. - Mn.: Adukatsy i vykhavanne, 2004. - C. 165.
