Создание и развитие тепловых двигателей

Размещено на http://www.allbest.ru/

Реферат

тепловой двигатель машина паровой

Отчёт 15 с., 9 рисунков, 5 источников.

Двигатели, тепловые машины, механическая энергия, охладитель, регенератор, поршень, рабочий цикл.

Объектом изучения является тепловые двигатели и тепловые установки в их основе.

Цель работы - изучение исторических сведений о создании и развитии тепловых двигателей, их конструктивных схем и принципов работы.

Работа выполнялась на основе обзора и анализа литературных данных с использованием различных источников электронных изданий.

В результате выполнения работы получены сведения об истории создания тепловых двигателей от элиопила Герона Александрийского (2000 лет назад) о современных силовых тепловых машин.

Содержание

Введение

1. Сведения о идеях построения и моделях тепловых машин до, примерно, 1700-1705 гг. Машина Севери

2. Машины Ньюкомена: принцип работы, преимущества и недостатки

3. Машина И. Ползунова и её отличие от существующих аналогов

4. Усовершенствования машины Ньюкомена Д. Уаттом

5. Общая схема и работа паровой машины непрерывного действия Уатта

6. Схемы и принцип работы двигателя Стирлинга

Заключение

Список использованных источников

Введение

Человечество на протяжении всей своей истории стремилось использовать источники энергии для решения своих задач. На заре истории человек использует воду в качестве источника энергии. Позже, в средние века, человечество научилось использовать энергию ветра. Со временем этого оказалось недостаточно для развития промышленности, ведь ветер не всегда достаточно силен, для того чтобы вращать крылья ветряных мельниц, а вода замерзает зимой. Но в конце XVIII века был изобретен паровой двигатель. Создание тепловых двигателей - необходимый атрибут современной цивилизации. Данная тема очень актуальна, так как прогресс человечества теснейшим образом связан с развитием энергетики, транспорта. Автомобильный транспорт играет огромную роль в формировании современного характера расселения людей и распространении туризма, в территориальной децентрализации промышленности и сферы обслуживания. Овладение новым источником энергии, открытие новых путей её преобразования и использования - это целая эпоха в истории развития цивилизации.

С изобретением парового двигателем стало возможным дальнейшее развитие техники и промышленности. Но паровой двигатель имеет очень низкий коэффициент полезного действия, большую часть полученной при сгорании топлива энергии он попросту выбрасывает в воздух. Поэтому начались исследования по постройке двигателей внутреннего сгорания. Каждый из рассмотренных нами этапов развития человечества имел свой источник энергии. И каждый последующий источник был более мощным и позволял получать большее количество энергии при меньших затратах.

Итак мы можем сделать вывод, что развитие техники и промышленности напрямую зависит от уровня использования внутренней энергии тел.

Целью практической работы является изучение сведений из истории создания тепловых двигателей, оценки уровня их современного состояния и перспектив дальнейшего развития.

1. Сведения о идеях построения и моделях тепловых машин до, примерно, 1700-1705 гг. Машина Севери

Машина Севери -- это паровой насос, а не двигатель: в нем не было цилиндра с поршнем, который при своем перемещении приводил бы что-то в движение. Самое важное в этом устройстве было то, что пар для работы насоса, образовывался в отдельном котле. Происходило это так. В котле, который непрерывно топили, образовывался пар. Открывая кран на трубе, можно было впускать пар в насосный резервуар. От него отходили две трубы: одна (всасывающая) опускалась в шахту, другая (нагнетательная) проходила в сточный желоб.

Рисунок 1 - Паровой насос

Когда в резервуар пускали пар, он начинал выталкивать имеющуюся в нем воду по нагнетательной трубе в сточный желоб. Затем подачу пар прекращали и по специальной трубке впускали в резервуар холодную воду. Пар конденсировался, превращаясь в воду, и занимал небольшой объем, то есть в резервуаре образовалось пониженное давление. Вода шахты вытеснялась атмосферным давлением, направлялась по всасывающей трубе в "пустой" резервуар. На всасывающей и нагнетательных трубах были установлены клапаны, пропускали воду только из шахты в резервуар и из резервуара в сточный желоб, в обратном же направлении они воду не пропускали.

Севери довольно осторожно относился к тому, насколько мощным был его насос, и был первым, кто использовал термин "лошадиная сила".

У насоса Севери были серьезные недостатки: он был маломощным, "съедал" во время работы очень много топлива, работал прерывисто -- вода откачивалось отдельными порциями. Его нельзя было использовать как универсальный двигатель для привода различных машин и механизмов, так как они в большинстве своем работают непрерывно. Тем не менее, установка Севере помогла изобретателям воспринять простую мысль, что в паровых машинах следует пользоваться паром из отдельного котла.

2. Машины Ньюкомена: принцип работы, преимущества и недостатки

Паровая машина Ньюкомена вобрала в себя лучшие идеи из паровой машины Папена и парового насоса Севери. В ней, как и в паровой машине Папена, был использован вертикальный цилиндр с поршнем. Пар же, создавался отдельно, в паровом котле. Это уже было заимствование идеи у парового насоса Севери.

Еще одним усовершенствованием Ньюкомена, было применение кожи. Вокруг поршня, закреплялась кожа и сверху наливалась вода. Это значительно улучшало герметичность внутри парового цилиндра. Шток поршня паровой машины был соединен с коромыслом. Другое плечо коромысла приводило в движении водяной насос. При подаче пара из котла в паровой цилиндр, поршень поднимался вверх и приводил в движение коромысло, которое в свою очередь опускало вниз поршень водяного насоса.

При подаче пара из котла в паровой цилиндр, поршень поднимался вверх и приводил в движение коромысло, которое в свою очередь опускало вниз поршень водяного насоса.

После достижения поршнем верхней мертвой точки, в паровой цилиндр впрыскивали воду. Пар в цилиндре конденсировался, и поршень под действием атмосферного давления начинал движении вниз, выталкивая из цилиндра воду в специальный резервуар. Коромысло, соединенное со штоком парового цилиндра приходило в движение, и поршень водяного насоса поднимался вверх, поднимая воду из шахты. Для подачи воды в паровой цилиндр использовался небольшой вспомогательный насос. Приводом насосу служило общее коромысло.

Рисунок 2 - Паровая машина Ньюкомена

Обратите внимание, что подъем воды из шахты осуществлялся при конденсации пара в паровой машине, под действием атмосферного давления. Подобные паровые машины принято называть пароатмосферными.

Паровая машина Ньюкомена получилась очень громоздкой и требовала большого количества угля.

Несмотря на все свои недостатки, машина была значительно совершеннее всех ее предшественников. Ее в течение 50 лет применяли на различных шахтах для откачки воды. После ее появления, в Англии вновь открыли шахты, которые пришлось закрыть из-за затопления грунтовыми водами. Для того что бы понять насколько сильным прорывом было использование паровой машины для откачки воды, можно посмотреть следующий пример. В 1722 году, в Кронштадте в сухой док на ремонт был поставлен корабль. Паровая машина Ньюкомена выполнила работу по откачке воды за две недели. Традиционная же схема откачки с использованием ветряных мельниц потребовал бы целый год. Как видите разница впечатляющая. Так же известны попытки применения паровой машины Ньюкомена для привода гребного колеса на судне. Но эти эксперименты были не удачными.

Машина Ньюкомена значительно отличалась от парового насоса Севери. Кроме того она была значительно совершеннее. Но, несмотря на все это, Томас Ньюкомен так и не смог получить патент на свою паровую машину. Слишком уж расплывчатым был патент Севери на его паровой насос. В связи с этим Ньюкомен был вынужден сотрудничать с Севери.

3. Машина И. Ползунова и её отличие от существующих аналогов

В апреле 1763 года, Ползунов предлагает проект своей паровой машины. Надо отметить, что в России того времени, паровые машины практически не использовались и всю информацию ползунов получил из книги "Обстоятельное наставление рудокопному делу" изданную в 1960 г. В нем описывалась паровая машина Ньюкомена.

Ползунов модернизирует ее, для обеспечения непрерывной работы он предлагает использовать два цилиндра, вместо одного в паровой машине Ньюкомена. Ползунов предлагал использовать свою паровую машину для привода в движение мехов плавильных печей.

Рисунок 3 - Схема паровой машины Ползунова

Поршни в цилиндрах паровой машины Ползунова работали в противофазе.

Когда в один из цилиндров наполненных паром, впрыскивали воду, пар конденсировался в нем, и в цилиндре создавалось разряжение. Под действием атмосферного давления поршень начинал опускаться вниз. В этот момент, в другой цилиндр, находившийся в нижнем положении, начинал поступать пар, и он начинал двигаться вверх.

Подача воды и пара в цилиндры была полностью автоматизирована. Штоки поршней паровой машины были связаны между собой цепью. Цепь проходила через верхний шкив и при движении паровых цилиндров, шкив тоже приходил в движение. Движение шкива в свою очередь, через цепи, приводило в движение специальные стержни, основное назначение которых было управлять движением серповидного маятника. Именно серповидный маятник управлял попеременной подачей воды и пара в паровые цилиндры. Давление пара в паровой машине Ползунова лишь незначительно превышало атмосферное давление. Полезную работу поршни совершали лишь при движении вниз, под действием атмосферного давления. Сам Ползунов считал, что эффективность рабочего хода будет тем выше, чем ниже будет температура охлаждающей воды. Что свидетельствует о том, что Ползунов строил пароатмосферную машину (машина в которой работа происходит за счет атмосферного давления, а не за счет давления пара). Проект паровой машины Ползунова был рассмотрен руководством завода и получил высокую оценку. Проект был отправлен в Петербург на рассмотрение императрицей Екатериной II. Ответ был получен лишь спустя год. Екатерина II высоко оценила проект Ползунова, его повысили в должности и обещали большую премию, если он сумеет построить работающую паровую машину.

В 1764 году, Ползунову приказывают строить паровую машину в 15 раз более мощную, чем в проекте 1763 года. Высота машины предполагалась 11 метров. Это была очень трудная задача. Сам Ползунов изначально планировал построить лишь небольшой макет, что бы отработать на нем все неожиданные трудности.

Работа шла с большим трудом. Не у кого в России того времени не было опыта по строительству подобных машин. Более того, Ползунову не разрешили вызвать опытных мастеров с уральских заводов. Испытания машины начались лишь спустя три года после начала строительства. Первые испытания показали ненадежность применения кожи в паровой машине (вероятно идея использования кожи, была заимствована из паровой машины Ньюкомена). Кожаное уплотнение быстро истиралось и вода начинала сочиться внутрь паровых цилиндров. Опытным путем было установлено что пробка, гораздо лучше подходит для уплотнения цилиндров, чем кожа.

Наконец испытания были закончены и начато строительство плавильных печей, для которых собственно и строилась паровая машина. Но сам автор первой Русской паровой машины Иван Иванович Ползунов, не дожил до этого момента. 16 мая 1766 он скончался.

Первый пуск машины был назначен на 4 августа 1766 года. Но в назначенный срок, машина не начала свою работу. В день пуска случилась поломка, которую сумели устранить только к 7 августа 1766 года. К сожалению, первая паровая машина России оказалось не надежной. Она часто ломалась. В сумме, она проработала чуть более 42 суток. После одной из поломок, руководством завода было принято решение о не целесообразности ее использования из-за наличия достаточного количества воды (водяные колеса были основными источниками энергии того времени).

4. Усовершенствования машины Ньюкомена Д. Уаттом

Ещё в 1759 году приятель Уатта Джон Робинсон заинтересовал его вопросом использования пара как источника двигательной энергии. Паровая машина Ньюкомена существовала уже пятьдесят лет, находя применения большей частью для откачки воды из шахт, однако за всё это время она ни разу не была усовершенствована, и мало кто разбирался в принципе её работы. Уатт начинает исследования по применению пара с нуля, так как до этого ни разу не сталкивался с этим вопросом. Однако попытки создать рабочую модель аппарата ничем на заканчиваются. Ему получается лишь соорудить что-то вроде модели паровой машины Севери, используя котёл Папена. Однако модель обладала такими большими недостатками, что Уатт бросает разработки.

Зимой 1763 года к нему обратился профессор физики университета Глазго Джон Андерсон с просьбой отремонтировать действующий макет паровой машины Ньюкомена. Макет был оснащен 2-дюймовым цилиндром и имел рабочий ход поршня в 6 дюймов. Уатт провел ряд экспериментов, в частности, заменил металлический цилиндр на деревянный, смазанный льняным маслом и высушенный в печи, уменьшил количество поднимаемой за один цикл воды и макет, наконец, заработал. При этом Уатт убедился в неэффективности машины и внёс в конструкцию многочисленные усовершенствования. Уатт показал, что почти три четверти энергии горячего пара тратятся неэффективно: при каждом цикле пар должен нагревать цилиндр, так как перед этим в цилиндр поступала холодная вода, чтобы сконденсировать часть пара для уменьшения давления. Таким образом энергия пара тратилась на постоянный разогрев цилиндра, вместо того, чтобы быть преобразованной в механическую энергию.

Рисунок 4 - Машина Ньюкомена

Рисунок 5 - Машина Ньюкомена с конденсатором Уатта

Рисунок 6 - Первый конденсатор Уатта.Музей науки (Лондон).

Уатт проводит ряд опытов над кипением воды, изучает упругость водяных паров при различных температурах. Теоретические и опытные изыскания приводят к его к пониманию важности скрытой теплоты. Опытным путём он устанавливает, что вода, превращённая в пар, может нагреть до кипения в шесть раз большее количество воды. Уатт приходит к выводу: "…Для того, чтобы сделать совершенную паровую машину, необходимо, чтобы цилиндр был всегда так же горяч, как и входящий в него пар; но, с другой стороны, сгущение пара для образования пустоты должно происходить при температуре не выше 30 градусов Реомюра". Уатту остаётся сделать один шаг до того, чтобы отделить "сгущение пара" от цилиндра и осуществлять его в отдельном сосуде. Однако на этот шаг у него уходит очень много времени. В 1765 году ему, наконец, приходит на ум догадка и начинаются попытки воплотить её в жизнь.

Первым значительным усовершенствованием, которое Уатт запатентовал в 1769 году, была изолированная камера для конденсации. В этот же год ему удаётся построить действующую модель, работающую по этому принципу. Однако создать полноразмерную машину не получалось. Основная сложность заключалась в том, чтобы заставить работать поршень и цилиндр. Металлопроизводство того времени было не способно обеспечить нужную точность изготовления.

Проблема изготовления цилиндра большого диаметра и соответствующего поршня с необходимой точностью была решена Джоном Уилкинсоном, который разработал соответствующую технологию на заводе, выпускающем пушечные ядра(англ. Bersham Ironworks) в Рексэме (англ. Wrexham), Северный Уэльс (англ. North Wales).

Уатт изолировал паровой цилиндр, а в 1782 году изобрёл машину двойного действия. Вместе с более мелкими усовершенствованиями это изобретение позволило увеличить производительность паровой машины в четыре и более раз. Кроме того, сама машина стала легко управляемой.

5. Общая схема и работа паровой машины непрерывного действия Уатта

В 1782 году Уатт создал первую универсальную паровую машину непрерывного действия, крышку цилиндра он оснастил, изобретенным незадолго до того сальником, который обеспечивал свободное движение штока поршня, но предотвращал утечку пара из цилиндра. Пар поступал в цилиндр попеременно то с одной стороны поршня, то с другой. Поэтому поршень совершал и рабочий и обратный ход с помощью пара, чего не было в прежних машинах. Поскольку в паровой машине непрерывного действия шток поршня совершал тянущее и толкающее действие, прежнюю приводную систему из цепей и коромысла, которая реагировала только на тягу, пришлось переделать.

Уатт разработал систему связанных тяг и применил планетарный механизм для преобразования возвратно поступательного движения штока поршня во вращательное движение, использовал тяжелый маховик, центробежный регулятор скорости, дисковый клапан и манометр для измерения давления пара. Запатентованная Уаттом "ротативная паровая машина" сначала широко применялась для приведения в действие машин и станков прядильных и ткацких фабрик, а позже и других промышленных предприятий. Таким образом, паровая машина Уатта стала изобретением века, положившим начало промышленной революции. В 1785 году одна из первых машин Уатта была установлена в Лондоне на пивоваренном заводе Сэмюэла Уитбреда для размалывания солода. Машина выполняла работу вместо 24 лошадей. Диаметр ее цилиндра равнялся 63 см, рабочий ход поршня составлял 1,83 м, а диаметр маховика достигал 4,27 м.

Машина сохранилась до наших дней, и сегодня ее можно увидеть в действии в сиднейском музее " Пауэрхауз".

Рисунок 7 - Схема паровой машины непрерывного действия Дж. Уатта.

6. Схемы и принцип работы двигателя Стирлинга

Двигатель Стирлинга - это поршневой двигатель с внешним подводом теплоты от любого источника, в котором рабочее тело находится в закрытом контуре и его химический состав, во время работы двигателя, не изменяется. Теоретическая эффективность использования теплоты в двигателе Стирлинга отвечает наилучшим образцам ДВС, но практически обеспечить высокий КПД двигателя Стирлинга возможно только при наличии эффективного регенератора, который утилизирует теплоту.

Удельная мощность двигателя Стирлинга (мощность на единицу рабочего объема) отвечает мощности дизеля. Продолжительная история развития двигателей с внешним подводом теплоты обусловила создание большого количества разновидностей этих двигателей. Одной из возможных конструкций двигателе Стирлинга - это расположения цилиндров под углом 90°, как изображено на рис. 8.

Один цилиндр нагревается внешним источником тепла (например, огнем), а второй охлаждается, например льдом. Цилиндры заполнены газом и соединены друг с другом, а их поршни механически связаны с помощью устройства, обеспечивающего определенный порядок их движения.

Горячая полость соединена с холодной через регенератор и охладитель.

Регенератор является тепловым аккумулятором, предназначенным для предотвращения потерь теплоты. Он воспринимает теплоту рабочего тела при перетекании из горячей области в холодную и отдает ее при обратном перетекании рабочего тела. Материал регенератора должен иметь высокую теплоемкость и низкую теплопроводность, во избежание передачи теплоты к охладителю. Охладитель воспринимает основную часть теплоты, которая отводится от рабочего тела, которое обусловлено закрытым циклом двигателя Стирлинга. Сравнительно с дизелем, в систему охлаждения двигателя Стирлинга отводится вдвое больше теплоты, поэтому и производительность системы охлаждения должны быть вдвое высшей.

Рисунок 8 - Одна из возможных схем двигателя Стирлинга.

Во время движения поршня вверх происходит сжимание воздуха во всех полостях двигателя, рабочее тело через регенератор, где отбирает накопленную теплоту, перетекает в горячую полость. Теплоту к рабочему телу в горячей полости подводят извне сквозь стенки цилиндра, от продуктов сгорания, которые образовываются в камере сгорания. Нагревание рабочего тела в горячей полости предопределяет повышение его давления во всех соединенных между собой полостях двигателя. Под действием этого давления рабочий поршень перемещается вниз, осуществляя рабочий ход, а рабочее тело проходит регенератором, отдает ему часть теплоты, охлаждается в охладителе и подается к холодной полости. Через снижение температуры уменьшается давление. Дальше этот цикл повторяется.

Регулирование мощности может осуществляться в разные способы. Например, изменением дополнительного объема, для чего двигатель оборудуют дополнительным поршнем с винтовой передачей.

Стадии движения поршня

Предполагается, что движения поршня и вытеснителя - прерывистые. Тогда весь цикл можно разделить на четыре стадии (рис. 9.):

I - Поршень находится в крайнем нижнем положении, а вытеснитель - в крайнем верхнем. Весь газ - в холодной полости;

II - Вытеснитель остается в верхнем положении. Поршень сжимает газ при низкой температуре;

III - Поршень остается в крайнем верхнем положении. Вытеснитель переталкивает газ из холодной полости в горячую;

Рисунок 9 - Стадии движения поршня.

IV - Нагретый газ расширился. Поршень и вытеснитель находятся в своих крайних нижних положениях. В то время как поршень остается на месте, вытеснитель переталкивает газ в холодную полость. Потом цикл повторяется.

Заключение

История изобретения и начала развития тепловых машин уходит в III век до нашей эры, когда великий греческий математик и механик Архимед создал пушку, стреляющую с помощью пара. Тремя столетиями позже в Александрии учёный Герон Александрийский изобрёл интересный механизм, получивший название Геронова шара. После периода средневековья наступает момент очередного подъёма в науке и технике. Итальянский изобретатель, ученый, инженер и художник Леонардо да Винчи задумывается над теорией использования "внутренней энергии" для получения механической работы. В его рукописях есть описание и чертежи механизма состоящего из цилиндра и поршня. В 1680 году - Дени Папен разрабатывает двигатель, в котором использовал воду, которую заливал под поршень, нагревал её, получал движение поршня вверх, далее охлаждал цилиндр, опускался поршень и так далее. Патент на первую в мире промышленную паровую машину получает в 1698 году Томас Севери. В 1705 году паровую машину сконструировал английский кузнец Томас Ньюкомен: он взял цилиндр с поршнем Папена, но пар для подъема поршня получал, как и Севери, в отдельном котле. В 1768 году патент на первый паровой двигатель с конденсатором получает английский механик Джеймс Уатт. После его изобретений развитие тепловых машин пошло более стремительными темпами.

До создания теплового двигателя вся энергетическая техника была замкнута рамками только одной - механической формой движения. В паровой машине энергетические функции не ограничиваются трансформацией направления и скорости сил, но включают еще и превращение теплоты в механическое движение.

При этом интернациональный характер проявился не только в самом постепенном процессе изобретательства, но и в особенности в повсеместном признании этого изобретения и распространении его по всему земному шару.

Оно оказало громадное влияние не только на становление новой промышленной техники и научного знания, но в целом на развитие человеческого общества, на развитие общественных отношений.

Список использованных источников

1. Дятчин Н.И. История развития техники: Учебное пособие / Н.И. Дятчин. - Ростов н/Д.: Феникс, 2001. - 320 с. [Электронный ресурс]. URL: http://www.libring.ru. (Дата обращения: 04.10.2013).

2. Википедия [Электронный ресурс]. URL: http://ru.wikipedia.org/wiki\. (Дата обращения: 04.10.2013).

3. История техники [Электронный ресурс]. URL: http://www.istex.ru/parovye-mashiny/10-parovaya-mashina-polzunova.html; Паровая машина Ползунова. (Дата обращения 04.10.2013).

4. Тепловые двигатели [Электронный ресурс]

URL:http://www.renewable.com.ua/heat-machines/3-stirling-engine.html. (Дата обращения: 04.10.2013).

5. Шухардин С.В., Ламан Н.К., Федоров А.С. Техника в ее историческом развитии - Москва: "Наука", 1979 - 416 с. [Электронный ресурс]. URL: http://nplit.ru/books/item/f00/s00/z0000055/. (Дата обращения: 04.10.2013).

Размещено на Allbest.ru