Please enable JavaScript.

Coggle requires JavaScript to display documents.

ТЕПЛОВІ ДВИГУНИ - Coggle Diagram

- - - - Розповім тобі коротко історію виникнення теплових двигунів.
        
        Томас Севері 1698р.
        Винайшов парову машину.Сам винахідник назвав її «Вогневою машиною».
        Машина служила для відкачування вод із затоплених шахт. Але шахти на той час були глибиною 100м, а машина діставала тільки до 15м.
        Ще труби і з'єднання не витримували тиску і вибухали. Машина споживала багато палива, і що навіть шахті з вугіллям, яка знаходилася б поруч було не під силу забезпечити її паливом.
        
        Томас Ньюкомен
        Парова машина Ньюкомена не була універсальным двигуном і могла працювати лише як насос. Машина Томаса Ньюкомена була вдосконаленою машиною Севері. Поршні були більше герметичними, що підвищувало користь, а пара створювалася в окремому котлі, тим самим вірогідність вибуху зменшувалася.
        За допомогою цієї машини відкачували воду з кораблів за 2 тижні(при старих методах цей процес займав рік). Але палива ця машина поглинала ненабагато менше.
        
        Проект першої у світі парової машини, здатної безпосередньо пускати в хід будь-які робочі механізми, запропонував 25 квітня 1763 року російський винахідник И. И. Ползунов.
        Парова машина Ползунова була першим в світі двоциліндровим двигуном з роботою циліндрів на один загальний вал, що вперше в світі дозволило двигуну працювати без будь-якого використання гідравлічної енергії, тобто, в тому числі на абсолютно безводному місці, що було величезним кроком вперед в порівнянні з існуючими тоді паровими машинами, не здатними обходитися без допоміжного гідравлічного приводу. Однак це була все ще пароатмосферна машина, тобто пар використовувався тільки для підйому поршня, який опускався під впливом атмосферного тиску
        
        Джеймс Уатт зробив вдосконалений двигун. Він придумав клапани, що працюють так, що нікому не треба було стояти поруч і керувати ними. Клапани автоматично змушували поршні підніматися і опускатися.
        Метою Уатта було понизити величезне споживання палива у парової машини. Для цього треба було постійно тримати циліндри нагрітими. Залишалося зрозуміти як конденсувати пару. Уатта осяяло, коли він стояв біля пралень. Винахідник зрозумів, що пара подібна до газу і переміщатиметься по циліндру з низьким тиском. Для герметизації стали змащувати поршні олією.
        
        Джордж Стефенсон побудував паровий двигун в Англії. Паровий двигун був дуже важкий, оскільки згоряння палива відбувалося в топці, розташованої окремо від парового котла.
        Джордж Стефенсон придбав всесвітню популярність завдяки винайденому ним паровозу. Він вважається одним з "батьків" залізниць, а обрана ним ширина колії рейкового шляху (1435 мм), так звана «Стефенсоновская» або «нормальна колія», стала найпоширенішою в Західній Європі і до сих пір є стандартом на залізницях багатьох країн світу.
        15 вересня 1830 року проходила церемонія відкриття залізниці Ліверпуль — Манчестер, де брав участь один з перших паровозів Стефенсона — «Ракета». Подія була державного масштабу.
        Свято було затьмарене трагічною загибеллю члена парламенту від Ліверпуля Вільяма Хаскіссона. Бажаючи переговорити з веллінгтоном, Хаскіссон спробував перебігти шляху, не звертаючи уваги на наближення поїзда, був збитий стефенсоновской «ракетою» і помер по дорозі в лікарню, ставши першою в світі людиною, що потрапила під паровоз.
        
        Бензиновий двигун, який був розроблений німцем Ніколасом Отто в 1878 році, став першою сходинкою до вирішення проблеми ваги. Цьому двигуну не потрібна була окрема топка, і він був набагато легше, ніж паровий двигун такої ж потужності.
        
        Через рік складання проектів і креслень, Ніколаусу прийшла думка, винаходи двигуна з чотирма тактами. Отто розумів, що за таким двигуном майбутнє. Саме така схема на його погляд, зможе дати велику потужність, при малій вазі і обсязі силового агрегату. Але схеми і креслення це одне, а реальний двигун, зовсім інше. Не все відразу виходило. Не виходило сконструювати систему запалювання.
        Тому ідею створення чотиритактного двигуна довелося відкласти, для подальшого осмислення і доопрацювання. Майбутній відомий винахідник зайнявся доопрацюванням двотактного силового агрегату. У 1863 році йому вдалося оформити права, на вдосконалений двотактний двигун. Незабаром Отто знайшов спонсора, який став партнером винахідника. Це був Еуген Ланген, завдяки його фінансової підтримки була побудована фабрика, де збиралися двотактні, вдосконалені силові агрегати. У 67 р. на Паризькому ярмарку, двотактний двигун Отто був відзначений високою нагородою.
        
        Після цієї події, продажі двигунів значно збільшилися. Партнери почали заробляти солідні гроші, більшу частину яких вкладали в розвиток виробництва.
        У 76 році дев'ятнадцятого століття винахіднику вдалося спроектувати систему запалювання для чотиритактного силового агрегату. І вже в травні мрія Отто здійснилася. Новий двигун перевершив всі очікування. При компактності і малій вазі агрегат розвивав достатню потужність для створення автомобіля. У 77 році партнери отримали патент на випуск силових агрегатів нового покоління. У наступні роки було випущено десятки тисяч силових агрегатів. Торгівля затребуваними двигунами приносила великі бариші. Але не все було так безхмарно. У 86 році вибухнув великий скандал. Як виявилося, схожий двигун більше двадцяти років тому був винайдений у Франції. Хоча проект був запатентований, не було зібрано реального, робочого двигуна. Тому, цей факт не варто сприймати всерйоз. Позбавлення патенту, не завадило партнерам випускати і продавати двигун по всьому світу. Отто прожив 59 років і помер відомою і шанованою людиною.
        
        Етьен Ленуар 1860р.сконструював перший двигун внутрішнього згоряння.
        Машина, яку створив Жан Етьєн Ленуар (двигун), стала першим подібним винаходом, яке почали випускати серійно. Його конструкція була одноциліндровою, двотактною. Ідея подібного технічного рішення була взята від парової машини Уатта. Відмінністю було те, що в якості робочого тіла використовувався не пар. Його замінили продукти згоряння, вироблені газогенератором, в якому спалювалася суміш світильного газу і повітря. Газовий двигун мав свої переваги по відношенню до парового: менш громіздкий; простіше в управлінні; не вимагав розігріву котла перед запуском; працював автоматично (в стаціонарному режимі); малошумний; низький рівень вібрацій. Всі ці переваги зробили газовий апарат популярним.
        
        Однак незабаром його витіснив двигун Отто. Принцип дії останнього винаходу широко використовується в сучасний час. Чим же модель Ленуара поступалася машині німецького інженера? Незважаючи на масу переваг, винахід француза бельгійського походження мало низьке ККД, а також низьку потужність. Тому воно не змогло витримати конкуренцію, і було витіснене з ринку більш продуктивним дітищем Ніколауса Отто.
        
        У 1892 році німецький інженер Рудольф Дизель створив новий двигун внутрішнього згоряння на більш дешевому паливі.
        Одного разу Рудольфу прийшла в голову неординарна думка: дивлячись на пневматичну запальничку він помітив, що за допомогою поршня повітря в трубці стискався і гніт запалювався — він здогадався, що потрібно лише добре стиснути повітря і він нагріється, якщо нагріте повітря з'єднати з паливом, воно спалахнути. Рудольф починає посилено працювати над втіленням цієї ідеї-він залишає компанію Лінде, свого інститутського викладача, де працював директором багато років, і відкриває свою справу: протягом деякого часу він розробляє кілька зразків дизельного двигуна.
        
        У 1897 році Дизель представив готовий екземпляр працездатного мотора: це величезний залізний циліндр, висотою 3 метри, в якому був встановлений маховик, що рухав поршень. Потужність силового агрегату становила 20 к.с., ККД — 30%. За своєю ефективністю двигуну не було рівних: він перевершував по економічності парові двигуни в 4 рази.На початку ХХ століття Рудольф починає розробляти двигуни для автомобілів. Однак при зменшенні розмірів мотора, пропорційно падала і його надійність. Дизелю не вдасться розробити придатний апарат, це зроблять лише через 11 років після смерті Рудольфа.
        
        У ІІ столітті до нашої ери Герон Олександрійський створив першу парову машину — прообраз парової турбіни.Однак двигун був занадто малий, щоб здійснювати будь-яку роботу.
    - - Найбільша кількість двигунів припадає це теплові двигуни. І хоча винайшли їх досить давно, уявити сучасне життя без них просто неможливо. Дійсно, більшість літаків, кораблів, машин та автомобілів обладнані саме такими двигунами.
    - - У своєму житті ми постійно зустрічаємося з різноманітними двигунами. Вони надають рух автомобілям і літакам, тракторам, кораблям і залізничним локомотивам. Електричний струм проводиться переважно за допомогою теплових машин. Саме поява і подальше поширення теплових машин забезпечили можливість для швидкого розвитку промисловості в XVIII–XX ст. Робота теплових машин пов'язана з використанням викопного палива. Сучасне світове співтовариство використовує енергетичні ресурси у величезних масштабах. Наприклад, за 2007 рік енергоспоживання склало приблизно 5·1017 кДж.
        
        Всі теплові втрати в різних теплових двигунах призводять до підвищення внутрішньої енергії навколишніх тіл і, врешті-решт, атмосфери. Здавалося б, що вироблення 5·1017 кДж енергії на рік, віднесена до площі освоєної людиною суші (8,5 млрд га), дасть дуже незначну величину 0,15 Вт/м2 порівняно з надходженням променистої енергії Сонця на земну поверхню: 1,36 кВт/м2
        Топки теплових електростанцій, двигуни внутрішнього згорання автомобілів, літаків і інших машин викидають в атмосферу шкідливі для людини речовини, наприклад сірчисті сполуки, оксиди азоту, вуглеводні, чадний газ, хлор і т. д. Ці речовини потрапляють в атмосферу, а з неї — в різні частини ландшафту. Оксиди сірки та азоту з'єднуються з атмосферною вологою, утворюючи сульфатну і нітратну кислоти. Забруднення повітря і водойм, загибель хвойних лісів і багато інших свідчень катастрофічного стану природи відзначено в ряді регіонів України і азіатської частини Росії. Застосування парових турбін на електростанціях вимагає багато води і великих площ, які відводяться під ставки для охолодження відпрацьованої пари. Зі збільшенням потужності електростанцій потреба у воді і нових площах різко зростає. Величезна кількість продуктів згоряння палива, зокрема, вуглекислий газ, обумовлюють виникнення так званого «парникового ефекту»
        
        Справа в тому, що вуглекислий газ вільно пропускає енергію сонячного випромінювання до землі, але не «випускає» назад в космічний простір теплове випромінювання нагрітої сонцем поверхні Землі. В результаті температура повітря поблизу земної поверхні підвищується. Посилення парникового ефекту, обумовлене викидами величезних кількостей вуглекислого газу, може привести до глобального потепління, що загрожує катастрофічними наслідками. Наприклад, воно вже почало приводити до танення полярних льодів і гірських льодовиків, і, якщо парниковий ефект буде посилюватися, рівень Світового океану почне підніматися. За деякими оцінками, він може піднятися більш ніж на метр, що призведе до затоплення величезних прибережних територій.
        
        Але як захистити довкілля?
        
        Людство не може відмовитися від використання машин у своїй діяльності. Тому боротьба зі шкідливими наслідками роботи теплових двигунів ведеться за кількома напрямками.
        
        Перший напрямок: удосконалення теплових двигунів, підвищення їх ККД дозволяє отримувати ту ж механічну енергію при спалюванні меншої кількості палива.
        
        1 more item...
        
        Другий напрямок: використання енергозберігаючих технологій при цьому споживання енергії на виробництво тієї ж продукції (наприклад, одного автомобіля) значно зменшується
        
        Третій напрямок: пошук і використання джерел енергії, в яких не спалюють паливо. Це, наприклад, атомні електростанції, проектовані термоядерні електростанції, використання енергії сонця, вітру, морських припливів і т.д. необхідність значно знизити викид забруднюючих речовин призвела до використання нових видів палива, зокрема до будівництва атомних електростанцій (АЕС). Але на атомних електростанціях виникають інші проблеми поховання небезпечних радіоактивних відходів, а також проблема безпеки.
    - - Ефективність теплового двигуна тим вище, чим більше робота A, виконана двигуном, при тій же кількості теплоти Q1, що виділився при згорянні палива. Коефіцієнтом корисної дії η теплового двигуна називають виражене у відсотках відношення роботи A, виконаної двигуном, до кількості теплоти Q1, що виділилася при згорянні палива
        
        Враховуючи те, що передано навколишньому середовищу кількість теплоти
        Q2 завжди більше нуля, коефіцієнт корисної дії будь-якого теплового двигуна менше 100 %. Це означає, що механічну енергію можна перетворити тільки частина енергії, яка виділилася при згорянні палива. З часів появи перших теплових двигунів вчені та інженери прагнули максимально збільшити їх ККД. І вони досягли значних успіхів: якщо ККД перших парових машин становив всього лише близько 1 %, а ККД паровозів — близько 5 %, то ККД сучасних двигунів внутрішнього згоряння досягає 35-40 %. Такий же приблизно ККД сучасних парових турбін на теплових електростанціях.
        
        ДРУГИЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМІКИ НЕ ДОЗВОЛЯЄ ККД ДОСЯГАТИ 100% . ЦЕ НЕМОЖЛИВО. АЛЕ ЛИШЕ СТОСОВНО ДВИГУНІВ. ККД ЛЮДИНИ НАБАГАТО ВИЩИЙ, ЧИМ ВИ ДУМАЄТЕ ))
    - - Парова турбіна для перетворення теплової енергії в механічну на теплових і атомних електростанціях використовують парові турбіни. В основу дії турбіни покладено обертання колеса з лопатями під тиском водяної пари або газу. Парова турбіна-тепловий двигун, в якому внутрішня енергія водяної пари перетворюється в механічну енергію. Для отримання водяної пари служать спеціальні парові котли, в яких за рахунок спалювання палива отримують водяну пару за підтримку дуже великого тиску (до 3·107 Па ) і дуже високої температури (до 600 °C ). Вище на малюнку був показаний принцип роботи парової турбіни. Струмені пари, що вириваються з сопел, роблять значний тиск на лопатки і призводять диск турбіни в швидкий обертальний рух. У сучасних турбінах застосовують не один, а кілька дисків, насаджених на загальний вал. Пара послідовно проходить через лопаті всіх дисків, віддаючи кожній з них частину своєї енергії.
      - Реактивний двигун . Найбільш простим за будовою твердопаливним реактивним двигуном є сигнальна ракета. Після запуску ракети тверде паливо в ракеті запалюється. Гази, що утворюються при цьому, випливають з отвору з великою швидкістю, а сама ракета рухається в протилежну сторону. Рідинний реактивний двигун відрізняється від твердопаливного тільки видом палива. Паливо і окислювач спеціальними насосами подаються в розпиленому вигляді в камеру згоряння. Гази, що утворилися в камері згоряння, викидаються з великою швидкістю, відштовхуючись від її стінок. В результаті ракета рухається в сторону, протилежну руху газів. Реактивний рух-єдиний спосіб переміщення в космосі, тому на космічних ракетах ставлять реактивні двигуни.
      - Двигун внутрішнього згоряння. Двигунами внутрішнього згоряння називають велику групу двигунів, в яких згоряння палива відбувається всередині двигуна. Перший двигун внутрішнього згоряння винайшов в 1860 р французький інженер Етьєн Ленуар. У 1876 р німецький інженер Ніколаус Отто запропонував більш досконалий двигун. У 1897 р німецький інженер Рудольф Дизель запропонував ще більш досконалий двигун, згодом названий дизелем.
    - - Перший такт називається впуск . Впускний клапан відкривається, і опускається поршень засмоктує бензиново-повітряну суміш всередину камери згоряння. Після цього Впускний клапан закривається.
      - Другий такт-стиснення . Поршень, піднімаючись вгору, стискає бензиново-повітряну суміш.
      - Третій такт-робочий хід поршня на кінці свічки спалахує електрична іскра. Бензиново-повітряна суміш майже миттєво згорає, і в циліндрі виникає висока температура. Це призводить до сильного зростання тиску, і гарячий газ робить корисну роботу — штовхає поршень вниз.
      - Четвертий такт-випуск Випускний клапан відкривається, і поршень, рухаючись вгору, виштовхує гази з камери згоряння в вихлопну трубу. Потім клапан закривається.
- - - - Ну, ви зрозуміли )