Тепловые машины

Актуальность работы. Прогресс человечества тесно связан с развитием энергетики. Овладение новым источником энергии, открытие новых способов ее преобразования и использования - это обычно целая эпоха в истории материальной культуры. Одним из достижений человечества была тепловая машина.

Введение 2
1. История возникновения и развития теплотехники 3
1.1 История возникновения теплотехники 3
1.2 Развитие теплотехники 10
2. Основы работы тепловых машин 15
2.1 Возникновение тепловых машин 15
2.2 Принцип работы тепловых машин 16
3. Основные виды тепловых машин 27
3.1 Паровая машина 27
3.2 Двигатели внешнего сгорания 30
3.3. Двигатель внутреннего сгорания 32
3.4 Двигатель Дизеля 34
4. Экологические аспекты использования тепловых машин 35
4.1 Влияние тепловых машин на окружающую среду 36
4.2 Пути уменьшения последствий, негативного влияния использования тепловых машин 37
Заключение 39
Список литературы 41

1.1 История возникновения теплотехники
Первое практическое применение тепловой энергии принадлежит величайшему изобретателю всех времен и народов, Герону Александрийскому, жившему в первом веке нашей эры. Шар цапли - эолипил (в переводе с греческого "шар Эола-бога ветров") стал прототипом реактивной паровой турбины. Это был полый металлический шар с двумя Г-образными соплами, впаянными в него на противоположных полусферах. Шарик мог вращаться в трубчатых опорах. Трубы, выступающие в роли осей, подавались в шар из котла, установленного под шаром. Затем он вырвался из труб, создавая реактивные силы, которые заставили его вращаться довольно быстро. Построенный современными учеными по чертежам цапли эолипил развивал скорость до 3500 оборотов в минуту! Но вклад Герона в развитие теплотехники не ограничивается эолипилом, у него также есть различные автоматические устройства, которые работают под воздействием горячего воздуха или давления пара.
...

1.2 Развитие теплотехники
На протяжении многих тысячелетий человечество обходилось природными источниками энергии, а именно мышечной силой людей и животных, а также энергией воды и ветра. В позднем средневековье ремесленный труд был заменен производством. В этот период производство в Европе базировалось на мастерских (гильдиях ремесленников). Цехи устанавливали обязательные правила изготовления изделий, их количество и номенклатуру. Мастерские в городах имели монополию на производство и продажу большинства промышленных товаров. Это право должно было контролироваться городскими властями. Чтобы избежать конкуренции, мастерские препятствовали совершенствованию методов производства. Однако в XVII веке промышленное производство стало интенсивно развиваться в сельской местности, где не было цеховых ограничений. Долгое время, после окончания летней зимы, крестьяне занимались прядением, ткачеством, шитьем, выделкой кожи и т. д. в первую очередь для собственных нужд, а также для продажи.
...

2.1 Возникновение тепловых машин
Создание и развитие термодинамики было вызвано, прежде всего, необходимостью описания работы и расчета тепловых машин.
Первыми тепловыми двигателями стали паровые машины, замкнутый термодинамический цикл которых был впервые описан в 1690 году Дени Папеном. Первые тепловые двигатели были разработаны для подъема воды из шахт и были изобретены английскими инженерами в 1698 году Томасом Севери и в 1712 году Томасом Ньюкоменом. Если насос Т. Севери использовал пар как тело, непосредственно выталкивающее воду, то машина Т. Ньюкомена была первой поршневой паровой машиной. Отметим, что идея использования поршня принадлежит Д. Папену. Широкое применение паровых двигателей в промышленности началось после изобретения в 1774 году Джеймсом Уаттом паровой машины, в которой работа выполнялась без использования атмосферного давления, что значительно снизило расход топлива.
...

2.2 Принцип работы тепловых машин
На рис. 1. приведена условная схема тепловой машины, а рис. 2. иллюстрирует её термодинамический цикл.

Рисунок 1 - Схема тепловой машины

Рисунок 2 - Термодинамический цикл тепловой машины (Рабочий процесс протекает по часовой стрелке )
Для работы теплового двигателя необходимы следующие элементы: нагреватель, холодильник и рабочая жидкость.
В то же время, если потребность в нагревателе и рабочей жидкости обычно не вызывает сомнений, то холодильник как неотъемлемая часть тепловой машины в его конструкции часто отсутствует. Окружающая среда действует как холодильник.
Принцип работы тепловых машин заключается в следующем. Нагреватель передает тепло рабочему органу Q1, вызывая рост его температуры. Рабочее тело выполняет работу А над каким-либо механическим устройством, например, приводит во вращение турбину, и далее отдаёт холодильнику теплоту Q'2, возвращаясь в изначальное положение.
...

3.1 Паровая машина
Паровые двигатели были установлены и приводили в движение большинство локомотивов в начале 1800-х годов и до 1950-х годов прошлого века. Принцип работы этих двигателей всегда оставался неизменным, несмотря на изменения их конструкции и габаритов.
Первый такт

Пар из котла поступает в паровую камеру, из которой через паровой клапан поступает в верхнюю (переднюю) часть цилиндра. Давление, создаваемое паром, толкает поршень влево. При движении поршня от правой стенки к левой, колесо совершает пол-оборота.
Выпуск

В самом конце движения поршня к левой стенке паровой клапан смещается, выпуская оставшийся пар через выхлопное окно, расположенное ниже клапана. Оставшийся пар вырывается наружу, создавая характерный для паровых машин звук.
Второй такт

В то же время, смещая клапан для выпуска оставшегося пара, открывается вход пара в нижнюю (заднюю) часть цилиндра. Давление, создаваемое паром в цилиндре, заставляет поршень двигаться к правой стенке.
...

3.2 Двигатели внешнего сгорания
Двигатели внешнего сгорания - это класс двигателей, в которых источник тепла или процесс сгорания топлива отделены от рабочего тела. Самая известная разновидность-двигатель Стирлинга.
Двигатель Стирлинга-это тепловой двигатель, в котором рабочее тело в виде газа или жидкости движется в замкнутом объеме. Он основан на периодическом нагреве и охлаждении рабочего тела с извлечением энергии из полученного изменения объема рабочего тела. Он может работать не только от сжигания топлива, но и от любого источника тепла.
Двигатель Стирлинга был впервые запатентован шотландским священником Робертом Стирлингом 27 сентября 1816 года. В 1843 году Стирлинг использовал этот двигатель на заводе, где он тогда работал инженером. В 1938 году Philips инвестировала в двигатель Стирлинга мощностью более двухсот лошадиных сил и отдачей более 30%. Этот двигатель имеет много преимуществ и широко использовался в эпоху паровых двигателей.
...

3.3. Двигатель внутреннего сгорания
Проект первого двигателя внутреннего сгорания (ДВС) принадлежит известному изобретателю часового якоря Кристиану Гюйгенсу и был предложен еще в XVII веке. Интересно, что порох предполагалось использовать в качестве топлива, и эта идея была предложена артиллерийским орудием. Все попытки Дениса Папена построить автомобиль по этому принципу не увенчались успехом. Исторически первым работающим двигателем внутреннего сгорания является двигатель, запатентованный в 1859 году бельгийским изобретателем Жаном Жозефом Этьеном Ленуаром. Двигатель Ленуара имеет низкий тепловой КПД, кроме того, по сравнению с другими поршневыми двигателями внутреннего сгорания, он имел чрезвычайно низкую мощность.
В 1862 году французский изобретатель Бо де Роша предложил использовать в двигателе внутреннего сгорания четырехтактный цикл: 1) всасывания, 2) сжатия, 3) сгорания и расширения; 4) выхлопа. Эта идея была использована немецким изобретателем Н.
...

3.4 Двигатель Дизеля
Для дальнейшего повышения КПД двигателя внутреннего сгорания в 1892 году немецкий инженер Рудольф Дизель предложил использовать еще большие степени сжатия рабочего тела.
Высокая степень сжатия без детонации достигается в дизельном двигателе за счет того, что сжатию подвергается не горючая смесь, а только воздух. В конце процесса сжатия топливо впрыскивается в цилиндр. Для его воспламенения не требуется специального устройства, так как при высокой степени адиабатического сжатия воздуха его температура повышается до 600-700°с. Топливо, впрыскиваемое топливным насосом через форсунку, воспламеняется при соприкосновении с горячим воздухом. Подача топлива регулируется специальным регулятором, в результате чего процесс горения не такой короткий, как в бензиновом двигателе, а происходит при постоянном давлении, затем адиабатическом. Когда поршень движется назад, выхлоп осуществляется.
...

4.1 Влияние тепловых машин на окружающую среду
Рост потребности человечества в энергоносителях ускоряет бурное развитие теплоэнергетики. Одним из важнейших недостатков использования тепловых машин является загрязнение окружающей среды.
Тепловые двигатели различной конструкции, используемые на автомобильном железнодорожном, воздушном, морском транспорте и в ракетостроении, вызывающие химическое, физическое, тепловое и шумовое загрязнение окружающей среды.
Современные сверхмощные тепловые электростанции сжигают миллионы тонн каменного угля и миллиарды кубометров природного газа ежегодно. При этом в воздух выбрасываются вредные вещества, даже несмотря на многоступенчатые системы очистки дымовых отходов. Например, во время работы тепловых электростанций в воздух выбрасываются оксиды серы, азота, фтористые соединения, угарный газ, метан, этилен, пяти окись ванадия.
...

4.2 Пути уменьшения последствий, негативного влияния использования тепловых машин
Выделяют два основных направления уменьшения негативного влияния использования тепловых машин на окружающую среду. Первый связан с усовершенствованием технологий изготовления и эксплуатации тепловых машин, работающих на традиционных источниках тепловой энергии, то есть на органическом топливе. В частности, повышение КПД тепловых машин, создания и использования современных многоступенчатых систем фильтрации вредных выбросов, которые образуются в процессе их работы, переход на экологически более чистые виды органического топлива (природный газ, спирт, водород). Перспективным направлением является постепенный отказ от использования тепловых машин на традиционных источниках топлива и внедрение новейших технологий прямого преобразования тепловой энергии в электрическую.
...

Заключение
Тепловые машины, используемые для различных целей, имеют разнообразную конструкцию. Но независимо от этого по назначению они делятся на два основных типа: тепловые двигатели и холодильные установки. Все тепловые двигатели выполняют одну и ту же задачу: обеспечивают преобразование внутренней энергии в механическую. Холодильные установки используют для того, чтобы за счет выполнения работы (например, двигателем холодильника) отбирать определенное количество теплоты от холодного тела и поддерживать его низкую температуру. В основу работы теплового двигателя положен принцип преобразования внутренней энергии в механическую работу, с которым вы ознакомились в предыдущем параграфе. Тепловой двигатель — устройство, в котором полученная при сгорании топлива энергия превращается в механическую энергию. С помощью передаточного механизма эту энергию получает рабочее тело и выполняется механическая работа.
...

1 Алексеев, И.В. Двигатели внутреннего сгорания. Учебник для вузов. В 3-х книгах. Книга 2: Динамика и конструирование. Гриф МО РФ / И.В. Алексеев. - М.: Высшая школа, 2009. - 526 c.
2 Баландин, С.С. Бесшатунные поршневые двигатели внутреннего сгорания / С.С. Баландин. - М.: Медиа, 1994. - 975 c.
3 Детлаф, А.А. Курс физики (том 3). Волновые процессы. Оптика. Атомная и ядерная физика / А.А. Детлаф, Б.М. Яворский. - М.: [не указано], 2008. - 744 c.
4 Кикоин, А.К. Молекулярная физика: Учебное пособие / А.К. Кикоин, И.К. Кикоин. - СПб.: Лань, 2014
5 Яворский Б.М., Селезнев Ю.А. Физика. Справочное руководство. Для поступающих в вузы. М.: Физматлит, 2006.