Розвиток теплових двигунів

Вступ

 

Тепловим двигуном називається пристрій, у якому внутрішня енергія палива перетворюється на механічну енергію. У теплових машинах внутрішня енергія, звільняючись при згорянні палива, перетворюється на механічну енергію.

Існує кілька видів теплових двигунів:

- двигун внутрішнього згоряння;

- парова та газова турбіни;

- реактивний двигун.

Двигуни діляться на первинний і вторинний. Первинні двигуни (гідротурбіни, двигун внутрішнього згорання та інші) безпосередньо перетворюють енергію природних ресурсів (води, ядерного палива) у механічну, електричну тощо енергію.

Вторинні двигуни (наприклад, електричні) одержують енергію від первинних двигунів, перетворювачів чи накопичувачів енергію (наприклад, сонячних батарей, пружинних механізмів).

На сьогодні перед людьми стоїть велика проблема — забруднення довкілля. Відомий американський метеоролог Баттін писав: «Одне з двох: або люди зроблять так, що в повітрі стане менше диму, або дим зробить так, що на Землі стане менше людей».

Напрями розв’язання проблем екології:

- удосконалення теплових двигунів, підвищення їх ККД,

- використання інших видів палива,

- використання нетрадиційних джерел енергії,

- економія енергії,

- більш повне використання палива.

 

Розвиток теплових двигунів

 

Першим механічним двигуном, що знайшов практичне застосування, була парова машина. Спочатку вона призначалася для використання в заводському виробництві, але пізніше паровий двигун стали встановлювати на самохідних машинах - паровозах, пароплавах, автомобілях і тракторах.

Аж до другої половини 18 ст. люди вико­ристовували для потреб виробництва в основному водяні двигуни. Оскільки передавати механічний рух від водяного колеса на великі відстані немож­ливо, усі фабрики доводилося будувати на берегах рік, що не завжди було зручно. Крім того, для ефективної роботи такого двигуна часто потрібні були дорогі підготовчі роботи (пристрій ставків, будівництво гребель тощо). Були у водяних коліс і інші недоліки: вони мали малу потужність, їх робота залежала від пори року. Поступово гостро постала потреба у принципово новому двигуні: могутньому, дешевому, автономному і доступному у використанні. Саме таким двигуном на ціле сто­річчя стала для людини парова машина.

Ідея парового двигуна була частково підказана його винахідникам конструкцією поршневого во­дяного насоса, що був відомий ще з часів антич­ності. Принцип його роботи був дуже простий: при підйомі поршня вгору вода засмоктувалася в циліндр через клапан у його дні. Бічний клапан, що з’єднував циліндр із водопідйомною трубою, у цей час був закритий, тому що вода з труби також прагнула ввійти всередину циліндра і тим самим закривала цей клапан. При опусканні поршня він починав тиснути на воду в циліндрі, завдяки чому закривався нижній клапан і відкривався бічний. У цей час вода з циліндра піднімалася вгору по во­допідйомній трубі. У поршневому насосі зовнішня робота витрачалася на просування рідини через циліндр насоса.

Лише на межі 17—18 ст. вдалося знайти спосіб виконувати корисну роботу за допомогою пари. Пара пускала в хід насос, що качав воду в резервуар. Випливаючи з резервуара і падаючи на водяне колесо, вода змушувала його обертатися. Водяне колесо, у свою чергу, надавало руху завод­ським механізмам і машинам. Таким чином, і після винаходу парового насоса безпосереднім двигу­ном робочих машин залишалося водяне колесо. Минуло ще чимало часу, перш ніж допитливий людський розум створив надійний двигун, здат­ний безпосередньо задіяти різноманітні машини і механізми. Минуло понад два сторіччя, перш ніж з’явився двигун, що став однією з передумов появи нового виду бойових машин – танків.

 

Історія побудови теплових машин.

Назви теплових машин	Принцип роботи
Парова машина Сейвери (вогнева машина)	Машина Сейвери працювала так: спочатку герметичний резервуар наповнювався паром, по­тім зовнішня поверхня резервуара охолоджувалася крижаною водою, потім пара конденсувалася, і в резервуарі створювався частковий вакуум. Після цього вода – наприклад із дна шахти - засмоктувалася в резервуар через забірну трубу і після впуску чергової порції пари викидалася назовні че­рез випускну. Потім цикл повторювався, але воду можна було піднімати тільки з глибини менш ніж 10,36м, оскільки насправді її виштовхував атмо­сферний тиск.
Парова машина Дені Попена	Машина була не дуже вдалою, але вона навела Попена на думку замінити порох водою. І в 1698 р. він побудував парову машину. Вода нагрівалася всередині вертикального цилінд­ра, що містив поршень, і пара, що утворилася, штовхала поршень угору. Коли пара охолоджува­лася і конденсувалася, поршень опускався вниз під дією атмосферного тиску. Таким чином, за допомо­гою системи блоків парова машина Попена могла пускати в хід різні механізми, наприклад, насоси.
Парова машина Томаса Ньюконена	Поршень рухався у вертикальному циліндрі, щоб ліквідувати проміжок між циліндром і поршнем, Ньюкомен закріпив на торці останнього гнучкий шкіряний диск і налив на нього небагато води. Пара з казана надходила в піддон циліндра і піднімала поршень угору. Але при вприскуванні в циліндр холодної води пара конденсувалася, в циліндрі утворювався вакуум, і під дією атмосферного тиску поршень опускався вниз. Цей зворотний хід видаляв воду з циліндра і за допомогою ланцюга, з’єднаного з коромислом, що рухалося на зразок гойдалок, піднімав угору шток насоса. Коли поршень знаходився в нижній точці свого ходу, у циліндр знову надходила пара, і за допомогою противаги, закріпленої на штоку, чи насоса на коромислі поршень піднімався у вихідне положення. Після цього цикл повторювався.
Парова машина Повзунова	Машина Ползунова мала два циліндри з порш­нями. Штоки поршнів були з’єднані ланцюгом, перекинутим через шків. Рух шківа передавався стержням, що за допомогою «долонь» пересували серпоподібний маятник. Маятник був з’єднаний зубчастими коліщат­ками з механізмом, який керував кранами, що здійснювали змінний пуск пари і холодної води в циліндри. Коли, наприклад, у циліндр подавалася пара і поршень піднімався, то в другий циліндр впорскувалася холодна вода і другий поршень опускався. У такий спосіб машина Ползунова пра­цювала безупинно і всі дії в ній проходили авто­матично.