МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
«Тюменский индустриальный университет»
Тобольский индустриальный институт (филиал)
Отделение среднего профессионального образования
Проект по теме: Тепловые двигатели.
Выполнил: обучающийся группы
КИПр 17-(9)-2 Кохан Н.А.
Тобольск 2018
Содержание
Введение. 3
1. История создания первого действующего теплового двигателя. 4
2. Тепловой двигатель. 5
2.1. Типы тепловых двигателей.. 6
2.1.1. Двигатель Стерлинга. 6
2.1.2. Поршневой двигатель внешнего сгорания. 8
2.1.3. Поршневой двигатель внутреннего сгорания. 9
2.1.4. Реактивные и ракетные двигатели. 12
Заключение. 14
Введение
Тепловые двигатели - необходимый атрибут современной цивилизации. Данная тема очень актуальна, так как прогресс человечества теснейшим образом связан с развитием энергетики, транспорта. Овладение новым источником энергии, открытие новых путей ее преобразования и использования — это целая эпоха в истории развития цивилизации.
Так, мощный расцвет промышленность в XIX в. был связан с изобретением первого теплового двигателя - паровой машины. Создание двигателя внутреннего сгорания послужило базой для развития автомобильного транспорта и самолетостроение. Газовая турбина буквально в последние четыре десятилетия вызвала переворот в авиации - замену тихоходных самолетов с поршневым двигателем реактивными и турбовинтовыми лайнерами, скорость которых приближается к скорости звука, а в последнее время - и сверхзвуковыми. С помощью реактивных тепловых двигателей осуществлена вековая мечта человечества - выход в космическое пространство.
История создания первого действующего теплового двигателя
Джеймс Уатт (1736-1819). Английский изобретатель, создатель универсальной паровой машины, член Лондонского королевского общества (1785г). С 1757 г. работал механиком в Глазго, где с большой точностью провел, пользуясь котлом Д. Папена, исследование зависимости температуры насыщенного пара от давления. В 1765 г. построил экспериментальную паровую машину с диаметром цилиндра 16 см, а в 1768 г. построил первую большую паровую машину. В 1769 г. Уатт получил английский патент на способы уменьшения потребления пара. Уатт детально исследовал работу пара в цилиндре, впервые сконструировав для этой цели индикатор. В 1782 г. получил английский патент на паровой двигатель с расширением. Он ввел первую единицу мощности – лошадиную силу (позднее его именем была названа другая единица мощности – ватт). Паровая машина Уатта получила широкое распространение и сыграла огромную роль в переходе к машинному производству. “Великий гений Уатта, - писал к. Маркс – обнаруживается в том, что в патенте, который он получил, его паровая машина представлена не как изобретение лишь для особых целей, но как универсальный двигатель крупной промышленности.
Тепловой двигатель
Теплово́й дви́гатель — тепловая машина, превращающая тепло в механическую энергию, использует зависимость теплового расширения вещества от температуры. Обычно работа совершается за счет изменения объёма вещества, но иногда используется изменение формы рабочего тела (в твёрдотельных двигателях). Действие теплового двигателя подчиняется законам термодинамики. Для работы необходимо создать разность давлений по обе стороны поршня двигателя или лопастей турбины. Для работы двигателя обязательно наличие разницы температур, производится нагревание рабочего тела (газа), который совершает работу за счёт изменения своей внутренней энергии. Повышение и понижение температуры осуществляется, соответственно, нагревателем (например, при сжигании топлива) и охладителем, в роли которой используется окружающая среда.
Типы тепловых двигателей
Двигатель Стерлинга
Дви́гатель Сти́рлинга — тепловая машина, в которой рабочее тело, в виде газа или жидкости, движется в замкнутом объёме, разновидность двигателя внешнего сгорания. Основан на периодическом нагреве и охлаждении рабочего тела с извлечением энергии из возникающего при этом изменения объёма рабочего тела. Может работать не только от сжигания топлива, но и от любого источника тепла.
В XIX веке инженеры хотели создать безопасную замену паровым двигателям того времени, котлы которых часто взрывались из-за высоких давленийпара и неподходящих материалов для их постройки. Хороший вариант появился с созданием двигателя Стирлинга, который мог преобразовывать в работу любую разницу температур. Основной принцип работы двигателя Стирлинга заключается в постоянно чередуемых нагревании и охлаждении рабочего тела в закрытом цилиндре. Обычно в роли рабочего тела выступает воздух, но также используются водород и гелий. В ряде опытных образцов испытывались фреоны, двуокись азота, сжиженный пропан-бутан и вода. В последнем случае вода остаётся в жидком состоянии на всех участках термодинамического цикла. Особенностями «стирлинга» с жидким рабочим телом являются малые размеры, высокая удельная мощность и большие рабочие давления. Существует также «стирлинг» с двухфазным рабочим телом. Он тоже характеризуется высокой удельной мощностью, высоким рабочим давлением.
Из термодинамики известно, что давление, температура и объёмидеального газа взаимосвязаны и следуют закону PV=vRT
· P — давление газа;
· V — объём газа;
· v — количество молей газа;
· R — универсальная газовая константа;
· Т — температура газа в кельвинах.
Это означает, что при нагревании газа его объём увеличивается, а при охлаждении — уменьшается. При нагревании газ совершает работу (например, толкает поршень) и охлаждается. Сжать охлажденный газ проще, чем удержать расширяющийся горячий (на сжатие холодного газа "расходуется" меньше работы, чем высвобождается работы при нагревании и расширении того же самого газа). Это свойство газов и лежит в основе работы двигателя Стирлинга.
Двигатель Стирлинга использует цикл Стирлинга, который по термодинамической эффективности не уступает циклу Карно, и даже обладает преимуществом. Дело в том, что цикл Карно состоит из мало отличающихся между собой изотерм и адиабат. Практическое воплощение этого цикла малоперспективно. Цикл Стирлинга позволил получить работающий на практике двигатель в приемлемых размерах.
Цикл Стирлинга состоит из четырёх фаз и разделён двумя переходными фазами: нагрев, расширение, переход к источнику холода, охлаждение, сжатие и переход к источнику тепла. Таким образом, при переходе от тёплого источника к холодному источнику происходит расширение и сжатие газа, находящегося в цилиндре. При этом изменяется давление, за счёт чего можно получить полезную работу.