Uloga toplotnih motora u nacionalnoj ekonomiji. Mesto i uloga toplotnih motora u sistemima snabdevanja toplotom i električnom energijom industrijskih preduzeća. Tipovi motora. Izgledi za razvoj dizajna motora

Kod duvaljki sa pozitivnim pomakom

Volumenski puhači:

klip

rotacijski

Klipni ekspanderi

Pumpe

Pumpe su hidraulične mašine za podizanje i kretanje tečnosti.

Oštrica (centrifugalna, aksijalna, vrtložna)

Volumetrijski (klip, klip)

Rotacijski (zupčanik, klizač, vijak)

Jet (injektori i ejektori).

U pumpama s pozitivnim pomakom energija se prenosi prisilnim djelovanjem radnog fluida na pokretni medij i njegovim pomakom. U krilnim pumpama transformacija krzna. Hidrauličku energiju proizvodi rotirajući kotač opremljen noževima.

Fans

Ventilatori su mehanički uređaji koji pokreću zrak kroz zračne kanale ili direktno dovode ili izvlače zrak iz prostorije. Kretanje zraka nastaje zbog stvaranja razlike tlaka između ulaza i izlaza ventilatora.

Ventilatori su podijeljeni u tipove prema nekoliko pokazatelja:

Kompresori

Kompresor naziva se mašina za puhanje dizajnirana da komprimuje i dovodi vazduh ili bilo koji gas pod pritiskom od najmanje 0,2 MPa.

Pozitivni kompresori Oni rade na principu pomaka, kada se pritisak pokretnog medija povećava kao rezultat kompresije. To uključuje klipne i rotacijske kompresore.

Dinamički kompresori rade na principu sile koja djeluje na pokretni medij. To uključuje lopatične (radijalne, centrifugalne, aksijalne) puhače i frikcione puhače (vorteks, disk, mlaz, itd.).

Lobed nazivaju se kompresori u kojima se medij kreće zbog energije koja mu se prenosi pri strujanju oko lopatica radnog kola.

Klasifikacija toplotnih motora:

Toplotni motori- to su mašine u kojima toplotnu energiju radna okolina se pretvara u mehanički rad.

Toplotni motori:

Parne turbine. Para stvorena u parnom kotlu širi se ispod visokog pritiska prolazi kroz lopatice turbine. Turbina se okreće i proizvodi mehaničku energiju koju generator koristi za proizvodnju električne energije.

Plinska turbina, kontinuirani toplinski motor u kojem lopatica pretvara energiju komprimovanog i zagrijanog plina u mehanički rad na osovini. Stirlingov motor je vanjski motor. U motoru sa unutrašnjim sagorevanjem gorivo sagoreva unutar cilindara, a oslobođena toplotna energija se pretvara u mehanički rad.

Efikasnost kompresora.

U energetici, efikasnost se obično shvata kao omjer korisne energije koja se koristi i sve utrošene energije. I što je veći procenat korisno iskorišćene energije od ukupne potrošene količine, to je veća efikasnost. U slučaju kompresorskih mašina, takva definicija efikasnosti je neprihvatljiva.

Stoga, da bi se procijenio stepen savršenstva stvarnih kompresorskih mašina, one se upoređuju sa idealnim. Istovremeno se uvodi izotermna efikasnost za kompresore za hlađenje:

ηfrom = liz / ld =Niz / Nd

liz - rad na pogonu idealnog kompresora pod izotermnom kompresijom,

ld - stvarni rad na pogonu pravog hlađenog kompresora,

Niz,Nd - odgovarajuće snage pogonskih motora;

Prednosti PSU

· Postrojenja sa kombinovanim ciklusom omogućavaju postizanje električne efikasnosti više od 50%. Jeftino jedinice instaliranog kapaciteta

· Postrojenja sa kombinovanim ciklusom troše znatno manje vode po jedinici proizvedene električne energije u odnosu na termoelektrane

· Kratko vrijeme izgradnje (9-12 mjeseci)

· Nema potrebe za stalnim snabdevanjem gorivom železnicom ili pomorskim prevozom

· Kompaktne dimenzije omogućavaju izgradnju direktno kod potrošača (fabrika ili unutar grada), čime se smanjuju troškovi dalekovoda i transporta električne energije. energije

· Ekološki prihvatljiviji u odnosu na postrojenja s parnim turbinama

Nedostaci PSU-a

· Mala jedinična snaga opreme (160-972,1 MW po jedinici), dok moderne termoelektrane imaju jediničnu snagu do 1200 MW, a nuklearne elektrane jedinične snage do 1200-1600 MW.

· Potreba za filtriranjem vazduha koji se koristi za sagorevanje goriva

Mesto i uloga toplotnih motora u sistemima snabdevanja toplotom i električnom energijom industrijskih preduzeća

Najrasprostranjeniji u nacionalne ekonomije primljene krilne pumpe. Pritisak koji stvaraju može premašiti 3500 m, a protok - 100.000 m3/h u jednoj jedinici.

U termoelektranama se centrifugalne pumpe koriste za napajanje kotlova, dovod kondenzata u sistem regenerativnog grijanja napojne vode, cirkulacijske vode do turbinskih kondenzatora i mrežne vode u sistemima grijanja.

IN U poslednje vreme Zbog povećanja snage parnih turbina, aksijalne pumpe se ponekad koriste u kondenzacijskim postrojenjima.

Centrifugalne i mlazne pumpe se koriste u termoelektranama u hidrauličnim sistemima za uklanjanje pepela.

Mlazne pumpe se koriste za uklanjanje zraka iz kondenzatora parnih turbina.

Među volumetrijskim pumpama u termoenergetici, klipne pumpe se koriste za pogon parnih kotlova sa malim učinkom pare. Rotacione pumpe se koriste u elektranama u sistemima za podmazivanje i upravljanje turbinama.

U termoelektranama se klipni kompresori koriste za izduvavanje grejnih površina kotlova kako bi se očistile od letećeg pepela i čađi i dovoda komprimirani zrak pneumatski alat za popravku.

5-2. Klasifikacija i opseg primjene duvaljki i klipnih ekspandera

Kompresor je hidraulična mašina u kojoj se mehanički rad pretvara u mehaničku energiju radnog okruženja. Osnovna namjena kompresora je povećanje ukupnog pritiska transportiranog medija.

Kod duvaljki sa pozitivnim pomakom povećanje energije radnog fluida postiže se dejstvom sile čvrstih radnih fluida.

Volumenski puhači:

klip- rad u translatornom kretanju radno tijelo,

rotacijski- kompresori koji rade s rotacijskim kretanjem radnog tijela.

Svrha ekspandera je postizanje maksimalnog smanjenja temperature tokom ekspanzije gasa sa eksterni rad. Postoje dvije glavne vrste: klipni i turbo ekspanderi. Prvi se koriste u instalacijama niskog kapaciteta visokog i srednjeg pritiska vazduha. Potonji se uglavnom koriste u velikim instalacijama, gdje se širenje plinova u njima događa uglavnom od niskog tlaka.

Klipni ekspanderi rade na višim početnim temperaturama plina do temperature okoline (Heylandtov proces). Turboekspanderi, osim perioda pokretanja, rade na više od niske temperature.

Rad koji obavlja ekspander koristi se za proizvodnju električne energije. Ovo omogućava instalacijama s plinovitim kisikom da smanje potrošnju energije za komprimiranje zraka koji ulazi u instalaciju za 3-4%.

Klipni ekspanderi

Klipni ekspanderi instalacija sa gasovitim kiseonikom su projektovani za hlađenje relativno malih količina vazduha (nekoliko stotina kubnih metara na sat)" na visoki stepeni ekstenzije (od 6 do 30). Princip rada klipnih ekspandera je prijenos rada ekspanzije plina u cilindru na radilicu stroja preko koljenastog mehanizma. Klipni ekspanderi se proizvode u vertikalnoj i horizontalnoj verziji, a u zavisnosti od početnih parametara vazduha klasifikovani su na mašine visokog ili srednjeg pritiska.

Proces rada u ekspanderu sastoji se od šest procesa.

Proces 1-2 (punjenje) odvija se s otvorenim ulaznim ventilom

Proces 2-3 (ekspanzija) se odvija sa zatvorenim ventilima; količina gasa u cilindru je konstantna.

Proces 3-4 (ispuh) se dešava kada je klip u donjoj mrtvoj tački. Ekspandirani plin izlazi kroz otvoreni izduvni ventil.

Proces 4-5 (guranje) se dešava dok se klip kreće od BDC. Ekspandirani i ohlađeni gas pod konstantnim pritiskom istiskuje se iz cilindra u cevovod iza ekspandera, gde se meša sa onim delom gasa koji je oslobođen iz cilindra u procesu 3-4. Izbacivanje se završava u tački 5 kada se izduvni ventil zatvori.

Proces 5-6 (obrnuta kompresija). Tokom ovog procesa, preostali gas u cilindru se komprimira dok se klip pomera nazad prema TDC. Istovremeno se povećavaju pritisak i temperatura gasa. Proces 6-1 (usis) počinje u tački 6 kada se otvori usisni ventil.

Na sl. 85 prikazuje dijagrame indikatora pravog ekspandera srednjeg pritiska.

a - dijagram pritiska; b - temperaturni dijagram

OSNOVE TERMODINAMIJE*

Lekcija #6

Predmet. Uloga toplotnih motora u nacionalnoj ekonomiji. Ekološki problemi vezano za njihovu upotrebu

Cilj: produbiti znanje učenika o fizički principi rad toplotnih motora, njihovu ekonomsku upotrebu, upoznavanje studenata sa dostignućima nauke i tehnologije u unapređenju toplotnih motora; razvijati 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. Godine 1696. engleski inženjer Thomas Savery (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.

1707. godine ugrađena je pumpa Severi Ljetna bašta U Petersburgu. Engleski mehaničar Thomas Newcomen (1663-1729) stvorio je parnu mašinu za crpljenje vode iz rudnika 1705. godine. Godine 1712, koristeći ideje Papina i Severija, Newcomen je napravio mašinu koja se koristila u rudnicima Engleske do sredine 18. veka.

Prvi praktično operativan univerzalne mašine kreirali su ruski pronalazač 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. Ovaj auto dugo vremena radio u jednom od rudarskih pogona u Rusiji.

Historian. Godine 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. Prije 1784. stvaranje univerzalne parna mašina je zapravo završen, i postao je glavno sredstvo za dobijanje energije u industrijskoj proizvodnji. Tokom godina 1769-1770, francuski pronalazač Nicolas Joseph Cugnot (1725-1804) dizajnirao je kočiju na parni pogon - prethodnicu 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) vukla je 30 tona tereta u 8 vagona duž uskotračne pruge brzinom od 6,4 km/h. Godine 1823. Stephenson je osnovao prvu tvornicu parnih lokomotiva. Prva željeznička pruga od Stocktona do Darlingtona počela je sa radom 1825. godine, a zatim je uslijedila javna željeznička linija između industrijskih centara Liverpoola i Manchestera 1830. godine. 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 započeo procvat industrije i željeznice- prvo u Velikoj Britaniji, a zatim iu drugim zemljama širom svijeta.

Učitelju. Prisjetimo se principa rada toplotnog motora.

Mehaničar. Toplotni motori su mašine u kojima unutrašnja energija pretvara u mehaničku energiju.

Postoji nekoliko vrsta toplotnih motora: parna mašina, motori sa unutrašnjim sagorevanjem, parne i gasne turbine, mlazni motori. 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).

Grafikon pokazuje da radni fluid radi koristan rad, što je brojčano jednako površini koju opisuje ciklus, odnosno površini 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 vozila. 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 obavljaju rad guranjem klipa nadole; Hod IV - izduv, kada izlaze izduvni i ohlađeni gasovi. Grafikon zatvorenog ciklusa koji karakterizira promjene stanja plina 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 (povećala 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 i male količine olova u krvi dovodi do teških bolesti, smanjenja inteligencije, prenadraženosti, razvoja agresivnosti, nepažnje, gluvoće, neplodnosti, usporavanja rasta, vestibularnih poremećaja i sl.

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 s unutrašnjim sagorijevanjem doprinose svojim udjelom u termičkom zagađenju atmosfere, temperaturi zraka u gradu u kojem postoji veliki broj automobili su uvijek 3-5 °C viša od temperature van grada.

Historian. U 1896-1897 pp. 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 pali ne od iskre, već od visoke temperature, koji se stvara iznad klipa usled naglog sabijanja vazduha. 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 okruženje znatno manje od karburatorskih motora.

Historian. Sljedeći toplinski motori koje ćemo pogledati su parne i plinske turbine. Budući 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 jedinica napravljeni još 80-ih godina prošlog stoljeća. 19. vijeka. Dizajner prve industrijske gasna turbina treba uzeti u obzir. M. Makhovsky.

Godine 1883. švedski inženjer G. Dach predložio je prvi dizajn jednostepene parne turbine, a 1884-1885 pp. 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 turbine rotor - disk montiran na osovinu s lopaticama duž ruba. Para iz parnog kotla se posebnim kanalima (mlaznicama) usmjerava na lopatice rotora. U mlaznicama se para širi, njen pritisak pada, ali se brzina protoka povećava, odnosno unutrašnja energija pare se pretvara 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 smještene tako da para izlazi 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 stupnjeva tlaka koji se sastoje od mlaznica i lopatica rotora koje se izmjenjuju. Brzina pare u takvoj turbini se smanjuje na radnoj lopatici, a zatim (nakon prolaska kroz mlaznicu) ponovo raste zbog smanjenja tlaka. Dakle, iz faze u fazu, 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 preusmjeravanje velike površine ispod bazena u kojima se hladi otpadna para. Sa povećanjem kapaciteta elektrane, potreba za vodom naglo raste, osim toga, kao rezultat hlađenja parom, velika količina toplote se oslobađa u okolinu, što opet dovodi do termičke pobude i povećanja temperature elektrane. Zemlja.

Historian. Toplotni motori uključuju mlazne motore. Teorija takvih motora ponovo je stvorena u djelima E.K. Tsiolkovskog, koja su napisana početkom 20. stoljeća, a njihovo uvođenje je povezano s imenom još jednog ukrajinskog pronalazača - S.P. Koroljeva. Konkretno, pod njegovim vodstvom stvoreni su prvi mlazni motori koji su se koristili na avionima (1942.), a kasnije (1957.) prvi svemirski satelit i prvi s ljudskom posadom. svemirski brod(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 plin, koji velikom brzinom istječe iz mlaznica motora, tjerajući ga da se kreće. aviona u suprotnom smjeru. Pogledajmo nekoliko tipova takvih motora.

Jedan od najjednostavnijih u dizajnu 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. Za vrijeme rada takvog motora, zrak ulazi u kompresor kroz usis, 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, lansiranja svemirske rakete, vojni letovi balističkih projektila negativno utiču 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 će vodonik reagirati s kisikom, što rezultira stvaranjem vode. Razvoj koji se odvija u ovom pravcu daje mnogo razni dizajni slični motori: od onih u kojima su rezervoari napunjeni odgovarajućim gasovima, do automobila u kojima je gorivo šećerni sirup. A postoje i dizajni u kojima je gorivo ulje, alkohol i čak biološki otpad. Ali za sada svi ovi motori postoje samo u obliku eksperimentalnih uzoraka, koji su još daleko od uvođenja u proizvodnju. industrijska proizvodnja. Međutim, čak i ovi razvoji daju nadu da ćemo u budućnosti imati 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 obavlja plin ako se zagrije pod konstantnim pritiskom na temperaturu koja je dvostruko veća od prvobitne temperature? 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 Termička efikasnost motor više: po hladnom ili vrućem vremenu?

Aneks 1

Parna mašina I. Polzunova

James Watt je poboljšao Newcomenovu parnu pumpu, povećavši njenu efikasnost. Njegove parne mašine, proizvedene 1775. godine, korišćene 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 ima relativno malo velike snage(automobili, motocikli, itd.)	IN kamioni velike snage, traktori, traktori, dizel lokomotive, na stacionarnim termoelektranama
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 G. Diesel

Dodatak 3

Dijagram strukture mlaznog motora

Toplotni motori su neophodni za proizvodnju električne energije za pogon većine transportnih vozila.

Od najveće važnosti je upotreba moćnih parnih turbina u elektranama za rotaciju rotora generatora. Ugrađene su i parne turbine nuklearne elektrane, gdje se energija atomskih jezgara koristi za proizvodnju pare visoke temperature.

Savremeni transport koristi sve vrste toplotnih motora. U automobilima se koriste traktori, samohodni kombajni, dizel lokomotive, klipni motori sa unutrašnjim sagorevanjem, u vazduhoplovstvu - gasne turbine, u svemirskim raketama - mlazni motori.

Toplotni motori imaju neke štetnih efekata na životnu sredinu:

Termička efikasnost motori η < 50 %, следовательно, большая часть энергии топлива рассеивается в окружающем пространстве, вредно влияя на общую экологическую обстановку:
termoelektrane i automobili emituju produkte sagorijevanja goriva štetne za biljke, životinje i ljude (sumporna jedinjenja, ugljični oksidi, dušikovi oksidi itd.);
Povećanje koncentracije ugljičnog dioksida u atmosferi povećava "efekat staklenika" Zemlje.

U tom smislu, problem očuvanja prirode je postao veoma važan. Za zaštitu životne sredine potrebno je osigurati:

efikasno čišćenje izduvnih gasova koji se emituju u atmosferu;
korištenje visokokvalitetnog goriva, stvarajući uvjete za potpunije sagorijevanje;
povećanje efikasnosti toplotnih motora smanjenjem gubitaka zbog trenja i potpunog sagorevanja goriva itd.

Upotreba vodonika kao goriva za toplotne motore je obećavajuća: sagorevanjem vodonika nastaje voda. U toku su intenzivna istraživanja za stvaranje električnih vozila koja mogu zamijeniti automobile na benzin.

Književnost

Aksenovich L. A. Fizika u srednja škola: Theory. Zadaci. Testovi: Udžbenik. dodatak za ustanove koje pružaju opšte obrazovanje. okoliš, obrazovanje / L. A. Aksenovich, N. N. Rakina, K. S. Farino; Ed. K. S. Farino. - Mn.: Adukatsiya i vyakhavanne, 2004. - Str. 165.

Tehnička termodinamika. Osnovni pojmovi i definicije

Kartashevich, A.N., Kostenich, V.G., Pontalev, O.V.

K 27 Toplotna tehnika: tok nastave. Dio 1. – Gorki: Bjeloruska državna poljoprivredna akademija, 2011. 48 str.

ISBN 978-985-467-319-6

Razmatraju se osnovni parametri i jednačine stanja idealnih gasova, pojam i vrste toplotnog kapaciteta, smeše idealnih gasova i metode za određivanje njihovih parametara. Date su formulacije i osnovne odredbe prvog i drugog zakona termodinamike, kao i analiza osnovnih termodinamičkih procesa idealnih gasova.

Za studente specijalnosti 1-74 06 01 – Tehnička podrška procesi poljoprivredne proizvodnje, 1‑74 06 04 – Tehnička podrška melioracionim i vodoprivrednim radovima, 1‑74 06 06 – Logistička podrška agroindustrijskom kompleksu.

Tabele 4. Slike 27. Bibliografija. 12.

Recenzenti: A.S. DOBIŠEV, doktor tehničkih nauka. nauka, profesor, dr. Zavod za mehanizaciju stočarstva i elektrifikaciju poljoprivredne proizvodnje (EI “BSAHA”); V.G. SAMOSYUK, dr. econ. nauke, CEO Republičko jedinstveno preduzeće "Naučni i praktični centar Nacionalne akademije nauka Belorusije za poljoprivrednu mehanizaciju".

UDK 621.1 (075.8)

BBK 31.3ya73

Toplota se koristi u svim oblastima ljudske djelatnosti - za proizvodnju električne energije, pogon vozila i raznih mehanizama, grijanje prostorija, kao i za tehnološke potrebe.

Glavni način dobijanja toplote danas je sagorevanje fosilnih goriva – uglja, nafte i gasa, čime se zadovoljava oko 90% energetskih potreba čovečanstva. Podaci o potrošnji energije u svijetu za poslednjih godina i njegova distribucija po vrstama prikazana je u tabeli. 1 .

Tabela 1. Struktura svjetske potrošnje energije 1998–2008

Kao što se vidi iz tabele. 1 podataka, globalna potrošnja energije raste iz godine u godinu. Potrebe stanovništva i ljudi stalno rastu, a to uzrokuje povećanje proizvodnje energije i stopu rasta njene potrošnje.

Međutim, rezerve nafte, gasa i uglja nisu beskonačne i, prema prognozama, istraženi resursi mogu biti dovoljni: nafta za 40 godina, gas za 60 godina, ugalj za 120 godina. Prirodne rezerve uranijuma dovoljne su da zadovolje svjetske energetske potrebe za otprilike 85 godina.

Drugi faktor koji ograničava dalje povećanje proizvodnje energije sagorevanjem goriva je sve veće zagađenje životne sredine produktima sagorevanja. Ništa manje opasno je i toplotno zagađenje životne sredine, koje dovodi do globalno zagrijavanje i klimatske promjene, otapanje glečera i porast nivoa mora.

U nuklearnoj energiji javljaju se ekološki problemi drugačije vrste, povezani sa potrebom odlaganja nuklearnog otpada, što je takođe povezano sa velikim poteškoćama.

Da se utvrdi najviše racionalne načine upotreba toplote, analiza efikasnosti radnih procesa termo instalacija i stvaranje novih, naprednijih tipova termičkih uređaja zahteva znanje teorijske osnove grijanja.

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; razvijati 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. 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).

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.

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.

Ekolog. Da bi se povećala efikasnost sagorevanja benzinskih motora (povećala 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). Prisutnost čak i male količine olova u krvi dovodi do ozbiljnih bolesti, smanjenja inteligencije, prenadraženosti, razvoja agresivnosti, nepažnje, gluvoće, neplodnosti, usporavanja rasta, poremećaja vestibularnog aparata itd.

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 ima veliki broj automobila uvek je 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?

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.

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. U mlaznicama se para širi, njen pritisak pada, ali se brzina protoka 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 koje 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, velika količina toplote se oslobađa u okolinu, što opet dovodi do termičke pobude i povećanja temperature elektrane. 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.

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?

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, povećavši 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