A hőgépek szerepe a nemzetgazdaságban. A hőgépek helye és szerepe az ipari vállalkozások hő- és áramellátó rendszereiben. Motor típusok. A motortervek fejlesztésének kilátásai

Pozitív elmozdulású fúvókban

Hangerőfúvók:

dugattyú

forgó

Dugattyús tágítók

Szivattyúk

A szivattyúk folyadékok emelésére és mozgatására szolgáló hidraulikus gépek.

Pengézett (centrifugális, axiális, vortex)

Térfogat (dugattyú, dugattyú)

Forgó (fogaskerék, csúszka, csavar)

Jet (injektorok és ejektorok).

A térfogati szivattyúkban az energia a munkaközeg mozgatandó közegre gyakorolt kényszer hatására és annak elmozdulásával kerül átadásra. A lapátos szivattyúkban a mech. A hidraulikában lévő energiát egy pengékkel felszerelt forgó kerék állítja elő.

Rajongók

A ventilátorok olyan mechanikus eszközök, amelyek a levegő csatornákon keresztül történő mozgatására vagy a levegő közvetlen befúvatására vagy elszívására szolgálnak. A levegő mozgása a ventilátor bemeneti és kimeneti nyílása közötti nyomáskülönbség miatt következik be.

A ventilátorokat több mutató szerint típusokra osztják:

Kompresszorok

Kompresszor légfúvógépnek nevezzük, amelyet legalább 0,2 MPa nyomású levegő vagy bármilyen gáz összenyomására és betáplálására terveztek.

Pozitív lökettérfogatú kompresszorok elmozdulás elvén működnek, amikor a szállított közeg nyomása a kompresszió következtében megnő. Ide tartoznak a dugattyús és rotációs kompresszorok.

Dinamikus kompresszorok a mozgó közegre ható erő elvén működnek. Ide tartoznak a lapátos (radiális, centrifugális, axiális) feltöltők és a súrlódó feltöltők (örvény, tárcsa, sugár stb.).

lapátúgynevezett kompresszorok, amelyekben a közeg a járókerék lapátjai körül áramló energia hatására mozog.

A hőmotorok osztályozása:

Hőmotorok- Olyan gépekről van szó, amelyekben a munkakörnyezet hőenergiáját mechanikai munkává alakítják.

Hőmotorok:

Gőzturbinák. A gőzkazánban keletkező gőz kitágulva nagy nyomás alatt halad át a turbinalapátokon. A turbina forog, és mechanikai energiát termel, amelyet a generátor elektromos áram előállítására használ fel.

A gázturbina olyan folyamatos hőmotor, amelyben a sűrített és felmelegített gáz energiája mechanikai munkává alakul át a tengelyen a lapátberendezésben. A Stirling-motor egy külső motor. A belső égésű motorban az üzemanyag a hengerek belsejében ég el, és az e folyamat során felszabaduló hőenergia mechanikai munkává alakul.

kompresszor hatékonysága.

Az energiaszektorban a hatékonyság alatt általában a hasznosan felhasznált energia és az összes elköltött energia arányát értik. És minél magasabb a felhasznált hasznos energia százalékos aránya a teljes elköltött mennyiségből, annál nagyobb a hatásfok. A kompresszoros gépek esetében a hatékonyság ilyen meghatározása elfogadhatatlannak bizonyul.

Ezért a valódi kompresszoros gépek tökéletességi fokának felméréséhez összehasonlítják őket az ideálisakkal. Ugyanakkor a hűtőkompresszorok izotermikus hatékonyságát vezetik be:

ηout = liz / ld = Niz / Nd

liz - ideális kompresszor működtetése izotermikus kompresszió mellett,

ld - tényleges munka egy valódi hűtött kompresszor meghajtásán,

Niz, Nd - a hajtómotorok megfelelő teljesítménye;

A CCGT előnyei

· A kombinált ciklusú berendezések több mint 50%-os elektromos hatásfok elérését teszik lehetővé. Alacsony költség egységnyi beépített kapacitásra

A kombinált ciklusú erőművek a gőzerőművekhez képest lényegesen kevesebb vizet fogyasztanak egységnyi villamos energiára vetítve

Rövid építési idő (9-12 hónap)

Nincs szükség állandó üzemanyag-ellátásra vasúton vagy tengeren

· A kompakt méretek lehetővé teszik közvetlenül a fogyasztónál (gyári vagy városon belüli) építkezést, ami csökkenti az elektromos vezetékek és a villamos energia szállításának költségeit. energia

Környezetbarátabb a gőzturbinás üzemekhez képest

A CCGT hátrányai

· Alacsony egységteljesítményű berendezések (1 db 160-972,1 MW), míg a modern hőerőművek 1200 MW, az atomerőművek 1200-1600 MW egységteljesítményűek.

Az üzemanyag elégetéséhez használt levegő szűrésének szükségessége

A hőgépek helye és szerepe az ipari vállalkozások hő- és áramellátó rendszereiben

A nemzetgazdaságban a lapátos szivattyúk a legelterjedtebbek. Az általuk létrehozott nyomás meghaladhatja a 3500 m-t, és az áramlás - 100 000 m3 / h egy egységben.

A hőerőművekben centrifugálszivattyúkat használnak kazánok táplálására, kondenzátum ellátására a tápvíz regeneratív fűtési rendszerébe, keringető víz a turbina kondenzátorokba, és hálózati víz a fűtési rendszerekben.

A közelmúltban a gőzturbinák teljesítményének növekedése miatt a kondenzációs üzemekben néha axiális szivattyúkat használnak.

A centrifugális és sugárszivattyúkat hőerőművekben használják a hidraulikus hamueltávolító rendszerekben.

A sugárszivattyúkat a gőzturbinás kondenzátorok levegőjének eltávolítására használják.

A hőenergia-ipar térfogati szivattyúi közül a dugattyús szivattyúkat alacsony gőzteljesítményű gőzkazánok meghajtására használják. A forgószivattyúkat erőművekben használják turbinák kenő- és vezérlőrendszereiben.

A hőerőművekben dugattyús kompresszorokkal fújják le a kazánok fűtőfelületeit, hogy megtisztítsák azokat a pernyétől és koromtól, és sűrített levegőt szállítsanak a pneumatikus javítószerszámokhoz.

5-2. A térfogat-kiszorításos ventilátorok és dugattyús tágítók osztályozása és alkalmazási köre

A feltöltő egy hidraulikus gép, amelyben a mechanikai munkát a munkaközeg mechanikai energiájává alakítják. A feltöltő fő célja a szállított közeg össznyomásának növelése.

Pozitív elmozdulású fúvókban a munkatest energiájának növekedését a szilárd munkatestek erőhatása éri el.

Hangerőfúvók:

dugattyú- munka a munkatest transzlációs mozgásával,

forgó- a munkatest forgó mozgásával működő feltöltők.

Az expanderek célja a hőmérséklet maximális csökkenése a gáz expanziója során külső munkavégzés során. Két fő típusa: dugattyús és turbóexpanderes. Az előbbieket kis teljesítményű, nagy és közepes légnyomású berendezésekben használják. Utóbbiakat főként nagy létesítményekben használják, ahol a gázok tágulása bennük többnyire alacsony nyomásról történik.

A dugattyús expanderek magasabb kezdeti gázhőmérsékleten működnek egészen a környezeti hőmérsékletig (Heilandt-eljárás). A turbó bővítők az indítási időszak kivételével alacsonyabb hőmérsékleten működnek.

A bővítő által végzett munkát villamos energia előállítására használják fel. Ez lehetővé teszi a gázhalmazállapotú oxigénes berendezésekben a berendezésbe belépő levegő sűrítéséhez szükséges energiafogyasztás 3-4%-os csökkentését.

Dugattyús tágítók

A gázhalmazállapotú oxigénüzemek dugattyús tágítóit viszonylag kis mennyiségű (több száz köbméter óránkénti) levegő hűtésére tervezték "nagy tágulási arány mellett (6-tól 30-ig). A dugattyús expanderek működési elve az, hogy átadják a tágulási munkát gáz a hengerben a gép főtengelyéhez a főtengelyen keresztül A dugattyús tágítók függőleges és vízszintes kivitelben készülnek, és a kezdeti levegőparaméterek függvényében a nagy vagy közepes nyomású gépekhez tartoznak.

A bővítőben a munkafolyamat hat folyamatból áll.

Az 1-2. folyamat (feltöltés) nyitott bemeneti szelep mellett fut

A 2-3. folyamat (tágulás) zárt szelepekkel megy végbe; a gáz mennyisége a hengerben állandó.

A 3-4. folyamat (kipufogó) akkor történik, amikor a dugattyú az alsó holtpontban van. Az expandált gáz a nyitott kipufogószelepen keresztül távozik.

A 4-5. folyamat (kinyomás) történik, miközben a dugattyú távolodik a BDC-től. Az állandó nyomású expandált és lehűtött gáz a hengerből kinyomódik az expander mögötti csővezetékbe, ahol keveredik a gáznak a 3-4. folyamatban a palackból kibocsátott részével. A kilökődés az 5. pontnál ér véget, amikor a kipufogószelep bezárul.

5-6. folyamat (fordított tömörítés). A folyamat során a hengerben maradó gáz összenyomódik, miközben a dugattyú visszamegy a TDC-be. Ennek eredményeként a gáz nyomása és hőmérséklete nő. A 6-1 folyamat (szívás) a 6. pontnál kezdődik, amikor a szívószelep kinyílik.

ábrán. A 85. ábra egy valódi közepes nyomású expander indikátor diagramjait mutatja.

a - nyomásdiagram; b - hőmérséklet diagram

A TERMODINAMIKA ALAPJAI*

6. lecke

Tantárgy. A hőgépek szerepe a nemzetgazdaságban. A használatukkal kapcsolatos környezeti problémák

Célja: a tanulók ismereteinek elmélyítése a hőgépek működésének fizikai elveiről, gazdasági alkalmazásáról, megismertesse a hallgatókkal a tudomány és a technika vívmányait a hőgépek fejlesztésében; fejleszti a kommunikációs kompetenciát, az elemzési, következtetési képességet; a környezetvédelem iránti tudatos szemlélet kialakítása, a tanulók fizika iránti érdeklődésének nevelése, a tanulók alkotó tevékenységének serkentése.

Az óra típusa: az ismeretek általánosítása, rendszerezése.

Lebonyolítási forma: óra-szeminárium.

Felszerelés: kártyák felirattal: történészek, ökológusok, fizikusok portréi.

II. Csoportos előadások

Történész. 1696-ban Thomas Savery (1650-1715) angol mérnök feltalálta a vízemelő gőzszivattyút. Ónbányákban víz szivattyúzására használták. Munkája a felmelegített gőz hűtésére épült, amelyet összenyomva vákuumot hozott létre, amely a bányából vizet szívott a csőbe.

1707-ben a Severi szivattyút a szentpétervári Nyári Kertben szerelték fel. Thomas Newcomen (1663-1729) angol szerelő 1705-ben megalkotott egy gőzgépet a bányákból való víz pumpálására. 1712-ben Papen és Savery ötleteit felhasználva Newcomen megépített egy gépet, amelyet Anglia bányáiban a 18. század közepéig használtak.

Az első praktikus univerzális gépeket I. Polzunov orosz feltaláló (1766) és az angol D. Watt (1774) alkotta meg.

Polzunov gőzgépének magassága 11 m, kazántérfogata 7 m3, hengermagassága 2,8 m, teljesítménye 29 kW. Ez a gép sokáig működött az egyik oroszországi bányászati üzemben.

Történész. 1765-ben J. Watt egy alapvetően új típusú gőzgépet tervezett, majd továbbfejlesztett. Gépe nemcsak vizet tudott kiszivattyúzni, hanem mozgatni is tudta a szerszámgépeket, a hajókat és a legénységet. 1784-ig tulajdonképpen befejeződött az univerzális gőzgép megalkotása, amely az ipari termelésben az energiaszerzés fő eszközévé vált. 1769-1770 között Nicolas Joseph Cugnot francia feltaláló (1725-1804) megtervezte a gőzkocsit, az autó elődjét. Még mindig a párizsi Művészeti és Iparművészeti Múzeumban őrzik.

1807-ben az amerikai Robert Fulton (1765-1815) a Hudson folyó mentén vitorlázott az általa épített Clermont lapátos gőzhajóval. 1814. július 25-én George Stephenson (1781-1848) angol feltaláló mozdonya 30 tonna rakományt vontatott 8 vagonban a keskeny nyomtávú vasút mentén 6,4 km/h sebességgel. 1823-ban Stephenson megalapította az első mozdonygyárat. 1825-ben kezdett működni az első vasút Stocktonból Darlingtonba, 1830-ban pedig egy nyilvános vasútvonal Liverpool és Manchester ipari központjai között. James Nesmith (1808-1890) 1839-ben megalkotott egy rendkívül erős gőzkalapácsot, amely forradalmasította a kohászati ipart. Több új fémmegmunkáló gépet is kifejlesztett.

Így kezdődött az ipar és a vasutak virágkora – először az Egyesült Királyságban, majd a világ más országaiban.

Tanár. Emlékezzünk a hőmotor működésére.

Szerelő. A hőgépek olyan gépek, amelyekben a belső energia mechanikai energiává alakul.

Többféle hőgép létezik: gőzgép, belső égésű motor, gőz- és gázturbina, sugárhajtómű. Ezekben a motorokban az üzemanyag energiája először gáz (gőz) energiává alakul. Kitágulva a gáz (gőz) munkát végez és egyben lehűl, belső energiájának egy része mechanikai energiává alakul. Ezért a hőmotornak van fűtőteste, munkafolyadéka és hűtőszekrénye. Ezt Sadi Carnot francia tudós állapította meg 1824-ben. Egy ilyen gép működési elvét diagrammal ábrázolhatjuk (1. ábra).

Emellett Carnot megállapította, hogy a motornak zárt ciklusban kell működnie, és a legelőnyösebb a két izoterm és két adiabatikus folyamatból álló ciklus. Carnot-ciklusnak hívják, és grafikusan ábrázolható (2. ábra).

A grafikonon látható, hogy a munkafolyadék hasznos munkát végez, ami számszerűen megegyezik a ciklus által leírt területtel, vagyis az 1 - 2 - 3 - 4 - 1 területtel.

Az energia megmaradásának és átalakulásának törvénye a Carnot-ciklusra az, hogy a dolgozó test által a környezetből kapott energia egyenlő a környezetbe átvitt energiával. A hőmotorok a dugattyúk vagy a turbinalapátok felületén lévő gáznyomás-különbség miatt működnek. Ezt a nyomáskülönbséget a hőmérsékletkülönbség hozza létre. Ez a hőgépek működési elve.

Szerelő. A hőmotorok egyik leggyakoribb típusa a belső égésű motor (ICE), amelyet ma már különféle járművekben használnak. Emlékezzünk vissza egy ilyen motor szerkezetére: a fő elem egy dugattyús henger, amelyben az üzemanyag ég.

A hengernek két szelepe van - bemeneti és kimeneti. Ezenkívül a motor működését egy gyertya, egy hajtórúd-mechanizmus és az autó kerekeihez csatlakoztatott főtengely jelenléte biztosítja. A motor négy ciklusban működik (3. ábra): A ciklus pedig az éghető keverék bemenete; II ütem - kompresszió, az üzemanyag végén egy gyertya szikrája meggyullad; III löket - munkalöket, ebben a löketben az üzemanyag elégetése során keletkező gázok munkavégzés közben, lenyomva a dugattyút; IV ütem - kioldás, amikor a kipufogógáz és a lehűtött gázok kimennek. ábrán látható a zárt ciklus grafikonja, amely a gáz állapotának változásait jellemzi ennek a motornak a működése során. 4.

A hasznos munka egy ciklusban megközelítőleg megegyezik a 2 - 3 - 4 - 5 - 6 - 2 ábra területével. Az ilyen motorok elterjedése annak a ténynek köszönhető, hogy kis tömegűek, kompaktak és rendelkeznek viszonylag magas hatásfok (elméletileg akár 80%, de a gyakorlatban csak 30%). Hátránya, hogy drága üzemanyaggal üzemelnek, bonyolult felépítésűek, nagyon nagy a motortengely fordulatszáma, kipufogógázaik pedig szennyezik a légkört.

Ökológus. A benzinmotorok égésének hatékonyságának növelésére (oktánszámának növelésére) különféle anyagokat adnak hozzá, főleg etil-folyadékot, amely tetraetil-ólmot tartalmaz, amely kopogásgátló szerepet játszik (az ólomvegyületek kb. 70%-a kerül kibocsátásra) a levegő, amikor a motor jár). Már kis mennyiségű ólom jelenléte a vérben súlyos betegségekhez, intelligencia csökkenéshez, túlzott izgatottsághoz, agresszivitás, figyelmetlenség, süketség, terméketlenség, növekedési retardáció, vesztibuláris apparátus zavaraihoz és hasonlókhoz vezet.

Egy másik probléma a szén(II)-oxid-kibocsátás. Elképzelhető, mekkora kár keletkezik a CO-ból, ha csak egy autó körülbelül 3,65 kg szén(II)-oxidot bocsát ki a levegőbe naponta (az autópark meghaladja az 500 milliót, az autók forgalmi sűrűsége pedig például az autópályákon Kijevben eléri az 50-100 ezer autót naponta, óránkénti 1800-9000 kg szén-dioxid-kibocsátással a levegőbe!).

A CO toxicitása az emberre abban rejlik, hogy amikor a vérbe kerül, megfosztja az eritrocitákat (vörösvértesteket) az oxigénszállítás képességétől, ami oxigénéhezést, fulladást, szédülést és akár halált is okoz. Ezenkívül a belső égésű motorok hozzájárulnak a légkör hőszennyezéséhez, a levegő hőmérséklete a városban, ahol nagyszámú autó van, mindig 3-5 ° C-kal magasabb, mint a városon kívüli hőmérséklet.

Történész. 1896-1897-ben pp. G. Diesel német mérnök olyan motort javasolt, amelynek hatásfoka nagyobb, mint a korábbiak. 1899-ben a dízelmotort nehéz folyékony üzemanyaggal való működésre alakították át, ami további széles körű használatához vezetett.

Tanár. Mi a különbség a dízel és a karburátoros belsőégésű motorok között?

Szerelő. A dízelmotorok elosztásban nem rosszabbak, mint a karburátoros motorok. Felépítésük szinte megegyezik: henger, dugattyú, szívó- és kipufogószelepek, hajtókar, főtengely, lendkerék és nincs gyertya.

Ez annak köszönhető, hogy az üzemanyag nem szikrától gyullad meg, hanem a dugattyú feletti magas hőmérséklettől, amely a levegő éles összenyomása miatt keletkezik. Ebbe a forró levegőbe tüzelőanyagot fecskendeznek, és az eléget, és munkakeveréket képez. Ez a motor chotiritactovim, működési diagramja az ábrán látható. 5.

A motor hasznos munkája megegyezik a 2 - 3 - 4 - 5 - 6 - 2 ábra területével. Az ilyen motorok olcsó üzemanyagokkal működnek, hatásfokuk körülbelül 40%. A fő hátrány az, hogy munkájuk nagymértékben függ a környezeti hőmérséklettől (alacsony hőmérsékleten nem tudnak dolgozni).

Ökológus. A dízelgyártásban elért jelentős előrelépések ezeket a motorokat "tisztábbá" tették, mint a benzinesek; már sikeresen alkalmazzák a személygépkocsikon.

A dízelmotorok kipufogógázai szinte nem tartalmaznak mérgező szén-oxidot, mivel a dízel üzemanyag nem tartalmaz ólom-tetraetilt. Vagyis a dízelmotorok sokkal kevésbé szennyezik a környezetet, mint a karburátoros motorok.

Történész. A következő hőmotorok, amelyeket figyelembe veszünk, a gőz- és gázturbinák lesznek. Mivel az ilyen gépeket főként erőművekben (hő- és atomerőművekben) használják, a technológiába való bevezetésük idejét a XX. század 30-as évek második felére kell tekinteni, bár az ilyen blokkok első kis projektjei a 80-as években készültek. századi XIX. Megfontolandó az első ipari gázturbina tervezője. M. Makhovsky.

1883-ban G. Dach svéd mérnök javasolta egy egyfokozatú gőzturbina első tervét, és 1884-1885-ben pp. Az angol C. Parson tervezte az első többlépcsős turbinát. C. Parson 1899-ben az elberfeldi (Németország) vízerőműben használta.

Szerelő. A turbinák működése egy lapátokkal ellátott kerék forgásán alapul, vízgőz vagy gáz nyomása alatt. Ezért a turbina fő munkarésze a forgórész - egy tárcsa, amely a tengelyre van rögzítve lapátokkal a pereme mentén. A gőzkazánból származó gőzt speciális csatornák (fúvókák) irányítják a rotorlapátokhoz. A fúvókákban a gőz kitágul, nyomása csökken, de a kiáramlási sebesség nő, vagyis a gőz belső energiája a sugár mozgási energiájává alakul.

A gőzturbináknak két típusa van: aktív turbinák, amelyek rotorjainak forgása a strumini lapátokra való ütközésének eredményeként következik be, és sugárturbinák, amelyekben a lapátok úgy helyezkednek el, hogy a gőz kilép a résből. sugárhajtást hoz létre. A gőzturbina előnyei közé tartozik a nagy sebesség, a jelentős teljesítmény és a nagy teljesítménysűrűség. A gőzturbinák hatásfoka eléri a 25%-ot. Növelhető, ha a turbinának több nyomásfokozata van, amelyek fúvókákból és rotorlapátokból állnak, amelyek váltakoznak. A gőz sebessége egy ilyen turbinában a munkalapáton csökken, majd (a fúvókán való áthaladás után) a nyomás csökkenése miatt ismét megnő. Így a gőznyomás fokozatról fokozatra csökken, és ismételten munkát végez. A modern turbinák legfeljebb 30 fokozatúak.

A turbinák hátránya a tehetetlenség, a forgási sebesség szabályozásának képtelensége, a visszafordítás hiánya.

Ökológus. A gőzturbinák erőművekben történő alkalmazása megköveteli a tavak számára nagy területek kiosztását, amelyekben a kipufogó gőzt lehűtik. Az erőművek kapacitásának növekedésével meredeken megnő a vízigény, ráadásul a gőzhűtés következtében nagy mennyiségű hő szabadul fel a környezetbe, ami ismét termikus gerjesztéshez és hőmérséklet-emelkedéshez vezet. a Földről származó.

Történész. A hőgépek sugárhajtóművek. Az ilyen motorok elméletét E. K. Tsiolkovsky művei alkották újra, amelyeket a 20. század elején írtak, és bevezetésük egy másik ukrán feltaláló - S. P. Koroljov - nevéhez fűződik. Konkrétan az ő vezetése alatt készültek el az első sugárhajtóművek, amelyeket repülőgépeken használtak (1942), majd később (1957) felbocsátották az első űrműholdat és az első emberes űrhajót (1961). Mi a sugárhajtóművek működési elve?

Szerelő. A sugárhajtást használó hőmotorokat sugárhajtóműveknek nevezzük. Működésük elve az, hogy az üzemanyag égéskor gázzá alakul, amely nagy sebességgel áramlik ki a motor fúvókáiból, és ezzel ellentétes irányú mozgásra kényszeríti a repülőgépet. Fontolja meg az ilyen motorok többféle típusát.

Az egyik legegyszerűbb kialakítású a ramjet motor. Ez egy cső, amelybe a szembejövő áramlás levegőt kényszerít, és folyékony üzemanyagot fecskendeznek bele, és meggyújtják. A forró gázok nagy sebességgel repülnek ki a csőből, sugárhajtást adva. Ennek a motornak az a hátránya, hogy a tolóerő létrehozásához a levegőhöz képest mozognia kell, vagyis nem tud magától felszállni. A legnagyobb sebesség 6000-7000 km/h.

Ha egy sugárhajtóműnek van turbinája és kompresszora, akkor az ilyen motort turbófeltöltőnek nevezik. Egy ilyen motor működése során a levegő a szívónyíláson keresztül jut be a kompresszorba, ahol összenyomódik, és az égéstérbe kerül, ahol az üzemanyagot befecskendezik. Itt meggyullad, az égéstermékek áthaladnak a kompresszort forgató turbinán, és a fúvókán keresztül kifolynak, sugártolóerőt hozva létre.

Az erőeloszlástól függően ezek a motorok turbóhajtóműre és turbólégcsavarra oszthatók. Előbbiek erejük nagy részét sugárhajtásra, utóbbiak pedig egy gázturbina forgatására fordítják.

Ezeknek a motoroknak az az előnye, hogy nagyobb a teljesítményük, ami biztosítja az űrbe való felemelkedéshez szükséges nagy sebességet. Hátrányok - nagy méretek, alacsony hatásfok, valamint a környezetre okozott károk.

Ökológus. Mivel a sugárhajtóművek üzemanyagot is égetnek, ezek, mint minden hőmotor, káros anyagokkal szennyezik a környezetet, amelyek az égés során szabadulnak fel. Ezek a szén-dioxid (CO 2), szén-monoxid (CO), kénvegyületek, nitrogén-oxidok és mások. Ha az autómotorok működése során ezeknek az anyagoknak a tömege kilogramm volt, akkor most tonnák és centnerek. Ezenkívül a repülőgépek nagy magasságú repülései, űrrakéták kilövése, katonai ballisztikus rakéták repülései negatívan befolyásolják a légkör ózonrétegét, tönkretéve azt. A számítások szerint egymás után száz Space Shuttle kilövése szinte teljesen tönkreteheti a Föld légkörének védő ózonrétegét, Mester. Mik legyenek a jövő motorjai? Szerelő. A legtöbb szakértő úgy véli, hogy ezeknek hidrogénmotoroknak kell lenniük, vagyis olyanoknak, amelyekben a hidrogén reakcióba lép az oxigénnel, ami víz képződéséhez vezet. Az ilyen irányú fejlesztések sokféle konstrukciót adnak az ilyen motoroknak: azoktól, ahol a tartályok megfelelő gázokkal vannak feltöltve, egészen az olyan gépekig, ahol az üzemanyag cukorszirup. Vannak olyan építmények is, ahol az üzemanyag olaj, alkohol és még biológiai hulladék is. De eddig ezek a motorok csak kísérleti minták formájában léteznek, amelyek még mindig messze vannak attól, hogy az ipari termelésbe bevezessék. Azonban már ezek a fejlesztések is reményt adnak arra, hogy a jövőben környezetbarátabb gépeink lesznek, mint a modernek. S bár a környezetet egyáltalán nem szennyező hőmotort még nem sikerült létrehoznunk, erre fogunk törekedni.

III. Házi feladat

Végezze el a házi feladat ellenőrzését

1.opció

1. A gáznyomás a dugattyú alatt 490 kPa. Milyen munkát végez egy gáz, ha állandó nyomáson eredeti hőmérsékletének kétszeresére melegítjük? A gáz kezdeti térfogata 10 liter.

2. A gőz 500 °C hőmérsékleten lép be a turbinába és 30 °C hőmérsékleten távozik. Ha a turbinát ideális hőmotornak tekintjük, számoljuk ki a hatásfokát.

3. Vagy lehűl a levegő a szobában, ha nyitva tartod a hűtő ajtaját?

2. lehetőség

1. Mennyire változik 200 g hélium belső energiája 20 K-es hőmérsékletnövekedéssel?

2. Egy ideális gép fűtőjének hőmérséklete 117 °C, a hűtőé 27 °C. A hőmennyiség, amit a gép 1 s alatt kap a fűtőberendezéstől, 60 kJ. Számítsa ki a gép hatásfokát, a hűtő által 1 s alatt felvett hőmennyiséget és a gép teljesítményét!

3. Mikor nagyobb a hőgép hatásfoka: hideg vagy meleg időben?

1. számú melléklet

Gőzgép I. Polzunov

James Watt továbbfejlesztette a Newcomen gőzszivattyút, növelve annak hatékonyságát. 1775-ben készült gőzgépei Nagy-Britannia számos gyárában működtek.

Néhány információ a motorról	karburátoros motor	dízel motor
dolgozó test	Benzin égéstermékei	Dízel égéstermékei
		Gázolaj
Hengernyomás		1,5 106-3,5 106 Pa
A sűrített levegő hőmérséklete
Az égéstermékek hőmérséklete
	20-25% (akár 35%)	30-38% (legfeljebb 45%)
Használat	Viszonylag kis teljesítményű könnyű mobil járművekben (autók, motorkerékpárok stb.)	Nehéz tehergépjárművekben, traktorokban, traktorokban, dízelmozdonyokban, hőerőművek helyhez kötött létesítményeiben
A teremtés története	Először 1860-ban szabadalmaztatta a francia Lenoir; 1878-ban építettek egy 2%-os hatásfokú motort (Otto német feltaláló és Langen mérnök)	1893-ban készítette G. Diesel német mérnök

3. függelék

Sugárhajtómű szerkezeti diagramja

Hőmotorokra van szükség ahhoz, hogy a legtöbb jármű meghajtásához elektromos áramot termeljenek.

Legnagyobb jelentőséggel bír az erős gőzturbinák használata az erőművekben a generátorok forgórészeinek forgatására. Az atomerőművekben gőzturbinákat is telepítenek, ahol az atommagok energiáját használják fel magas hőmérsékletű gőz előállítására.

A modern közlekedésben minden típusú hőmotort használnak. Dugattyús belső égésű motorokat gépkocsikban, traktorokban, önjáró kombájnokban, dízelmozdonyokban, gázturbinákat a légi közlekedésben, sugárhajtóműveket pedig űrrakétákban alkalmaznak.

A hőmotorok káros hatással vannak a környezetre:

A hőmotorok hatásfoka η < 50 %, следовательно, большая часть энергии топлива рассеивается в окружающем пространстве, вредно влияя на общую экологическую обстановку:
a hőerőművek és az autók növényekre, állatokra és emberre káros tüzelőanyag égéstermékeket bocsátanak ki (kénvegyületek, szén-oxidok, nitrogén-oxidok stb.);
a szén-dioxid koncentrációjának növekedése a légkörben növeli a Föld "üvegházhatását".

E tekintetben a természetvédelem problémája nagyon fontossá vált. A környezet védelme érdekében biztosítani kell:

a légkörbe kibocsátott kipufogógázok hatékony tisztítása;
jó minőségű tüzelőanyag használata, feltételeinek megteremtése annak teljesebb égéséhez;
a hőmotorok hatásfokának növelése a súrlódási veszteségek csökkentésével és az üzemanyag teljes elégetésével stb.

Ígéretes a hidrogén felhasználása a hőmotorok üzemanyagaként: a hidrogén elégetésekor víz képződik. Intenzív kutatás folyik a benzinüzemű autók helyettesítésére alkalmas elektromos járművek létrehozására.

Irodalom

Aksenovich L. A. Fizika a középiskolában: elmélet. Feladatok. Tesztek: Proc. ellátást nyújtó intézmények részére általános. környezetek, oktatás / L. A. Aksenovich, N. N. Rakina, K. S. Farino; Szerk. K. S. Farino. - Mn.: Adukatsy i vykhavanne, 2004. - C. 165.

Műszaki termodinamika. Alapfogalmak és definíciók

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

K 27 Hőtechnika: előadások. 1. rész - Gorki: Fehérorosz Állami Mezőgazdasági Akadémia, 2011. 48 p.

ISBN 978-985-467-319-6

Figyelembe veszik az ideális gázok főbb paramétereit és állapotegyenleteit, a hőkapacitás fogalmát és típusait, az ideális gázkeverékeket és paramétereik meghatározásának módszereit. Megadjuk a termodinamika első és második törvényének megfogalmazásait és főbb rendelkezéseit, valamint az ideális gázok főbb termodinamikai folyamatainak elemzését.

Szakos hallgatóknak 1-74 06 01 - Mezőgazdasági termelési folyamatok műszaki támogatása, 1-74 06 04 - Meliorációs és vízgazdálkodási munkák műszaki támogatása, 1-74 06 06 - Agráripari komplexum logisztikai támogatása.

táblázatok 4. Ábrák 27. Bibliogr. 12.

Lektorok: A.S. DOBISHEV, a mérnöki tudomány doktora tudományok, professzor, fej. Állattenyésztési Gépesítési és Mezőgazdasági Termelés Villamossági Osztály (UO "BSAA"); V.G. SAMOSYUK, Ph.D. gazdaság Sci., a „Belarusz Nemzeti Tudományos Akadémia mezőgazdasági gépesítésére vonatkozó SPC” köztársasági egységes vállalatának főigazgatója.

UDC 621.1 (075.8)

BBC 31.3ya73

A hőt az emberi tevékenység minden területén felhasználják - elektromos áram előállítására, járművek és különféle mechanizmusok meghajtására, helyiségek fűtésére, valamint technológiai igényekre.

A hőtermelés fő módja manapság a fosszilis tüzelőanyagok - szén, olaj és gáz - elégetése, amely az emberiség energiaszükségletének körülbelül 90%-át kielégíti. A világ elmúlt évek energiaforrás-felhasználásának adatait és típusonkénti megoszlását a táblázat tartalmazza. 1 .

Asztal 1. A világ energiafogyasztásának szerkezete 1998–2008-ban

Ahogy a táblázatból is látszik. 1 adat szerint a globális energiafogyasztás évről évre növekszik. A népesség és az emberi szükségletek folyamatosan nőnek, ami az energiatermelés volumenének és felhasználásának növekedését okozza.

Az olaj-, gáz- és szénkészletek azonban nem végtelenek, és az előrejelzések szerint a bizonyított erőforrások is elegendőek lehetnek: olaj 40 évre, gáz 60 évre, szén 120 évre. A természetes urán tartalékai körülbelül 85 évre elegendőek a világ energiaszükségletének kielégítésére.

A tüzelőanyag elégetésével történő energiatermelés további növekedését korlátozó másik tényező az égéstermékek által a környezet egyre növekvő szennyezése. Nem kevésbé veszélyes a környezet hőszennyezése, amely globális felmelegedéshez és éghajlatváltozáshoz vezet a Földön, olvad a gleccserek és emelkedik a tengerszint.

Az atomenergiában másfajta környezeti problémák merülnek fel, amelyek a nukleáris hulladék elhelyezésének szükségességéhez kapcsolódnak, ami szintén nagy nehézségekkel jár.

A hőhasznosítás legracionálisabb módjainak meghatározásához, a hőberendezések munkafolyamatainak hatékonyságának elemzéséhez és új, korszerűbb hőtechnikai berendezések létrehozásához a hőtechnika elméleti alapjainak ismerete szükséges.

FIZIKA ÓRÁK 10 OSZTÁLYBAN.
MOLEKULÁRIS FIZIKA ÉS TERMODINAMIKA

A TERMODINAMIKA ALAPJAI*

6. lecke

Tantárgy. A hőgépek szerepe a nemzetgazdaságban. A használatukkal kapcsolatos környezeti problémák

Az óra típusa: az ismeretek általánosítása, rendszerezése.

Lebonyolítási forma: óra-szeminárium.

Felszerelés: kártyák felirattal: történészek, ökológusok, fizikusok portréi.

II. Csoportos előadások

1707-ben a Severi szivattyút a szentpétervári Nyári Kertben szerelték fel. Thomas Newcomen (1663-1729) angol szerelő 1705-ben megalkotott egy gőzgépet a bányákból való víz pumpálására. 1712-ben Papin és Savery ötleteit felhasználva Newcomen megépített egy gépet, amelyet Anglia bányáiban a 18. század közepéig használtak.

Az első praktikus univerzális gépeket I. Polzunov orosz feltaláló (1766) és az angol D. Watt (1774) alkotta meg.

Polzunov gőzgépének magassága 11 m, kazántérfogata 7 m3, hengermagassága 2,8 m, teljesítménye 29 kW. Ez a gép sokáig működött az egyik oroszországi bányászati üzemben.

Történész. 1765-ben J. Watt egy alapvetően új típusú gőzgépet tervezett, majd továbbfejlesztett. Gépe nemcsak vizet tudott kiszivattyúzni, hanem mozgatni is tudta a szerszámgépeket, a hajókat és a legénységet. 1784-ig tulajdonképpen befejeződött az univerzális gőzgép megalkotása, amely az ipari termelésben az energiaszerzés fő eszközévé vált. 1769-1770 között Nicolas Joseph Cugnot francia feltaláló (1725-1804) tervezte a gőzkocsit, az autó ősét. Még mindig a párizsi Művészeti és Iparművészeti Múzeumban őrzik.

1807-ben az amerikai Robert Fulton (1765-1815) a Hudson folyó mentén vitorlázott az általa épített Clermont lapátos gőzhajóval. 1814. július 25-én George Stephenson (1781-1848) angol feltaláló mozdonya 30 tonna rakományt szállított 8 vagonban egy keskeny nyomtávú vasúton 6,4 km/h sebességgel. 1823-ban Stephenson megalapította az első mozdonygyárat. 1825-ben kezdett működni az első vasút Stocktonból Darlingtonba, 1830-ban pedig egy nyilvános vasútvonal Liverpool és Manchester ipari központjai között. James Nesmyth (1808-1890) 1839-ben megalkotott egy rendkívül erős gőzkalapácsot, amely igazi forradalmat hozott a kohászati iparban. Több új fémmegmunkáló gépet is kifejlesztett.

Így kezdődött az ipar és a vasutak virágkora – először az Egyesült Királyságban, majd a világ más országaiban.

Tanár. Emlékezzünk a hőmotor működésére.

Szerelő. A hőgépek olyan gépek, amelyekben a belső energia mechanikai energiává alakul.

A grafikonon látható, hogy a munkafolyadék hasznos munkát végez, ami számszerűen megegyezik a ciklus által leírt területtel, azaz. 1 - 2 - 3 - 4 - 1 négyzetek.

Az energia megmaradásának és átalakulásának törvénye a Carnot-ciklusra az, hogy a dolgozó test által a környezetből kapott energia egyenlő a környezetbe átvitt energiával. A hőmotorok a dugattyúk vagy a turbinalapátok felületén lévő gáznyomás-különbség miatt működnek. Ezt a nyomáskülönbséget a hőmérséklet-különbség hozza létre. Ez a hőgépek működési elve.

A hengernek két szelepe van - bemeneti és kimeneti. Ezenkívül a motor működését egy gyertya, egy hajtórúd-mechanizmus és az autó kerekeihez csatlakoztatott főtengely jelenléte biztosítja. A motor négy ciklusban működik (3. ábra): A ciklus pedig az éghető keverék bemenete; II ütem - kompresszió, az üzemanyag végén egy gyertya szikrája meggyullad; III ütem - munkalöket, ebben a löketben az üzemanyag elégetése során keletkező gázok működnek, lenyomva a dugattyút; IV löket - felengedés, amikor a lehűtött gázok elfogynak és kijönnek. ábrán látható a zárt ciklus grafikonja, amely a gáz állapotának változásait jellemzi ennek a motornak a működése során. 4.

Ökológus. A benzinmotorok égésének hatékonyságának növelésére (oktánszámának növelésére) különféle anyagokat adnak hozzá, főleg etil-folyadékot, amely tetraetil-ólmot tartalmaz, amely kopogásgátló szerepet játszik (az ólomvegyületek kb. 70%-a kerül kibocsátásra) a levegő, amikor a motor jár). Már kis mennyiségű ólom jelenléte a vérben súlyos betegségekhez, intelligencia csökkenéshez, túlzott izgatottsághoz, agresszivitás, figyelmetlenség, süketség, meddőség kialakulásához, növekedési retardációhoz, a vesztibuláris apparátus zavaraihoz stb.

Történész. 1896-1897-ben. G. Diesel német mérnök olyan motort javasolt, amely az előzőeknél nagyobb hatásfokú volt. 1899-ben a dízelmotort nehéz folyékony üzemanyaggal való működésre alakították át, ami további széles körű használatához vezetett.

Tanár. Mi a különbség a dízel és a karburátoros belsőégésű motorok között?

Ökológus. A dízelgyártásban elért jelentős előrelépések ezeket a motorokat "tisztábbá" tették, mint a benzinesek; már sikeresen alkalmazzák a személygépkocsikon.

Történész. A következő hőmotorok, amelyeket figyelembe veszünk, a gőz- és gázturbinák lesznek. Mivel az ilyen gépeket főként erőművekben (hő- és atomerőművekben) használják, a technológiába való bevezetésük idejét a XX. század 30-as évek második felére kell tekinteni, bár az ilyen blokkok első kisebb projektjei már a XX. A XIX. század 80-as évei. V. M. Makhovskyt az első ipari gázturbina tervezőjének kell tekinteni.

1883-ban G. Dach svéd mérnök javasolta az egyfokozatú gőzturbina első tervét, majd 1884-1885. Az angol C. Parson tervezte az első többlépcsős turbinát. C. Parson 1899-ben az elberfeldi (Németország) vízerőműben használta.

Szerelő. A turbinák működése egy lapátokkal ellátott kerék forgásán alapul, vízgőz vagy gáz nyomása alatt. Ezért a fő munkarész a turbina rotor - egy tárcsa, amely a tengelyre van rögzítve lapátokkal a pereme mentén. A gőzkazánból származó gőzt speciális csatornák (fúvókák) irányítják a rotorlapátokhoz. A fúvókákban a gőz kitágul, nyomása csökken, de a kiáramlási sebesség nő, i.e. a gőz belső energiája a sugár mozgási energiájává alakul át.

A gőzturbináknak két típusa van: aktív turbinák, amelyek rotorjainak forgása a strumini lapátokra való ütközésének eredményeképpen történik, és a sugárturbinák, amelyekben a lapátok úgy vannak elhelyezve, hogy a gőz kilépjen a résből. sugárhajtást hoz létre. A gőzturbina előnyei közé tartozik a nagy sebesség, a jelentős teljesítmény és a nagy teljesítménysűrűség. A gőzturbinák hatásfoka eléri a 25%-ot. Növelhető, ha a turbinának több nyomásfokozata van, amelyek váltakozó fúvókákból és rotorlapátokból állnak. A gőz sebessége egy ilyen turbinában a munkalapáton csökken, majd (a fúvókán való áthaladás után) a nyomás csökkenése miatt ismét megnő. Így a gőz nyomása fokról fokra fokozatosan csökken, és ismételten működik. A modern turbinák legfeljebb 30 fokozatúak.

A turbinák hátránya a tehetetlenség, a forgási sebesség szabályozásának képtelensége, a visszafordítás hiánya.

Történész. A hőgépek sugárhajtóművek. Az ilyen motorok elméletét E. K. Tsiolkovsky művei reprodukálják, amelyeket a 20. század elején írtak, és bevezetésük egy másik ukrán feltaláló - S. P. Korolev - nevéhez kapcsolódik. Konkrétan az ő vezetése alatt készültek el az első repülőgépeken használt sugárhajtóművek (1942), majd később (1957) felbocsátották az első űrműholdat és az első emberes űrhajót (1961). Mi a sugárhajtóművek működési elve?

Az erőeloszlástól függően ezek a motorok turbóhajtóműre és turbólégcsavarra oszthatók. Az előbbiek erejük nagy részét a sugárhajtásra, az utóbbiak pedig egy gázturbina forgatására fordítják.

Ökológus. Mivel a sugárhajtóművek üzemanyagot is égetnek, ezek, mint minden hőmotor, káros anyagokkal szennyezik a környezetet, amelyek az égés során szabadulnak fel. Ezek a szén-dioxid (CO 2), szén-monoxid (CO), kénvegyületek, nitrogén-oxidok és mások. Ha az autómotorok működése során ezeknek az anyagoknak a tömege kilogramm volt, akkor most tonnák és centnerek. Ezenkívül a repülőgépek nagy magasságú repülései, űrrakéták kilövése, katonai ballisztikus rakéták repülései negatívan befolyásolják a légkör ózonrétegét, tönkretéve azt. A számítások szerint egymás után száz Space Shuttle kilövése szinte teljesen tönkreteheti a Föld légkörének védő ózonrétegét, Mester. Mik legyenek a jövő motorjai? Szerelő. A legtöbb szakértő úgy véli, hogy ezeknek hidrogénmotoroknak kell lenniük, vagyis olyanoknak, amelyekben a hidrogén reakcióba lép az oxigénnel, aminek eredményeként víz képződik. Az ilyen irányú fejlesztések sokféle konstrukciót adnak az ilyen motoroknak: azoktól, ahol a tartályok megfelelő gázokkal vannak feltöltve, egészen az olyan gépekig, ahol az üzemanyag cukorszirup. Vannak olyan építmények is, ahol az üzemanyag olaj, alkohol és még biológiai hulladék is. De eddig ezek a motorok csak kísérleti minták formájában léteznek, amelyek még mindig messze vannak attól, hogy az ipari termelésbe bevezessék. Azonban már ezek a fejlesztések is reményt adnak arra, hogy a jövőben a moderneknél környezetbarátabb gépeket kapunk. S bár a környezetet egyáltalán nem szennyező hőmotort még nem sikerült létrehoznunk, erre fogunk törekedni.

III. Házi feladat

Végezze el a házi feladat ellenőrzését

1.opció

1. A gáznyomás a dugattyú alatt 490 kPa. Milyen munkát végez egy gáz, ha állandó nyomáson a kezdeti hőmérséklet kétszeresére melegítjük? A gáz kezdeti térfogata 10 liter.

2. A gőz 500 °C hőmérsékleten lép be a turbinába és 30 °C hőmérsékleten távozik. Ha a turbinát ideális hőmotornak tekintjük, számoljuk ki a hatásfokát.

3. Vagy lehűl a levegő a szobában, ha nyitva tartod a hűtő ajtaját?

2. lehetőség

1. Mennyire változik 200 g hélium belső energiája 20 K-es hőmérsékletnövekedéssel?

3. Mikor nagyobb a hőgép hatásfoka: hideg vagy meleg időben?

1. számú melléklet

Gőzgép I. Polzunov

James Watt továbbfejlesztette a Newcomen gőzszivattyút, növelve annak hatékonyságát. 1775-ben készült gőzgépei Nagy-Britannia számos gyárában működtek.

Néhány információ a motorról	karburátoros motor	dízel motor
dolgozó test	Benzin égéstermékei	Dízel égéstermékei
		Gázolaj
Hengernyomás		1,5 106-3,5 106 Pa
A sűrített levegő hőmérséklete
Az égéstermékek hőmérséklete
	20-25% (akár 35%)	30-38% (legfeljebb 45%)
Használat	Viszonylag kis teljesítményű könnyű mobil járművekben (autók, motorkerékpárok stb.)	Nehéz tehergépjárművekben, traktorokban, traktorokban, dízelmozdonyokban, hőerőművek helyhez kötött létesítményeiben
A teremtés története	Először 1860-ban szabadalmaztatta a francia Lenoir; 1878-ban építettek egy 2%-os hatásfokú motort (Otto német feltaláló és Langen mérnök)	1893-ban készítette R. Diesel német mérnök