Роль тепловых двигателей в хозяйстве. Презентация "Тепловые двигатели

ОСНОВЫ ТЕРМОДИНАМИКИ *

Урок № 6

Тема. Роль тепловых двигателей в народном хозяйстве. Экологические проблемы, связанные с их использованием

Цель: углубить знания учащихся о физические принципы работы тепловых двигателей,их хозяйственное применение, ознакомить учащихся с достижениями науки и техники в деле совершенствования тепловых двигателей; развивать коммуникативные компетенции, умение анализировать, делать выводы; формировать сознательное отношение к охране окружающей среды, воспитывать заинтересованность учащихся физикой, стимулировать творческую активность учащихся.

Тип урока: урок обобщения и систематизации знаний.

Форма проведения: урок-семинар.

Оборудование: карточки с надписями: историки, экологи, портреты физиков.

II. Выступления групп

Историк. В 1696 году английский инженер Томас Севери (1650-1715) изобрел паровой насос для подъема воды. Он применялся для откачки воды в оловянных шахтах. Его работа была основана на охлаждении разогретого пара, что, сжимаясь, создавала вакуум, который втягивал в трубу воду из шахты.

1707 года насос Севери был установлен в Летнем саду в Петербурге. Английский механик Томас Ньюкомен (1663-1729) создал в 1705 году паровую машину для откачки воды из шахт. 1712 года, использовав идеи Папена и Севери, Ньюкомен построил машину, которая применялась на шахтах Англии до середины XVIII века.

Первые практически действующие универсальные машины были созданы русским изобретателем И. Ползуновим (1766 г.) и англичанином Д. Уаттом (1774 г.)

Паровая машина Ползунова имела высоту 11м, объем котла 7 м3, высоту цилиндров 2,8 м, мощность 29 кВт. Эта машина долгое время работала на одном из горно- добывающих заводов России.

Историк. В 1765 году Дж. Уатт сконструировал, а позже усовершенствовал паровой двигатель принципиально нового типа. Его машина могла не только откачивать воду, но и оказывать движения станкам, кораблям и экипажам. До 1784 года создание универсального парового двигателя было фактически завершено, и он стал основным средством получения энергии в промышленном производстве. В течение 1769-1770 лет французский изобретатель Николя Жозеф Кюньо (1725-1804) сконструировал паровую повозку - предшественник автомобиля. Он до сих пор хранится в Музее искусств и ремесел в Париже.

Американец Роберт Фултон (1765-1815) провел в 1807 году построенный им колесный пароход «Клермонт» по реке Гудзон. 25 июля 1814 года локомотив английского изобретателя Джорджа Стефенсона (1781-1848) протащил по узкоколейке 30 т груза в 8 вагонах со скоростью 6,4 км/час . В 1823 году Стефенсон основал первый паровозостроительный завод. В 1825 году начала действовать первая железная дорога от Стоктона до Дарлингтона, а в 1830 году - железнодорожная линия общественного пользования между промышленными центрами Ливерпулем и Манчестером. Джеймс Несміт (1808-1890) создал в 1839 году чрезвычайно мощный паровой молот, совершивший настоящий переворот в металлургическом производстве. Он же разработал несколько новых металлообрабатывающих станков.

Так начался расцвет индустрии и железных дорог - сначала в Великобритании, а затем в других странах мира.

Учитель. Давайте вспомним принцип работы тепловой машины.

Механик. Тепловыми двигателями называют машины, в которых внутренняя энергия превращается в механическую энергию.

Есть несколько видов тепловых двигателей: паровая машина, двигатели внутреннего сгорания, паровая и газовая турбины, реактивный двигатель. Во всех этих двигателях энергия топлива сначала превращается в энергию газа (пара). Расширяясь, газ (пар) выполняет работу и при этом охлаждается, часть его внутренней энергии превращается в механическую. Следовательно, тепловая машина имеет нагреватель, рабочее тело и холодильник. Это было установлено в 1824 г. французским ученым Сади Карно. Принцип действия такой машины можно изобразить схемой (рис. 1).

Кроме того, Карно установил, что двигатель должен работать по замкнутому циклу и самым выгодным является цикл, состоящий из двух изотермических и двух адіабатичних процессов. Он получил название цикла Карно и его можно изобразить графически (рис. 2).

Из графика видно, что рабочее тело совершает полезную работу, которая численно равна площади, описанной циклом, то есть площади 1 - 2 - 3 - 4 - 1.

Закон сохранения и превращения энергии для цикла Карно заключается в том, что энергия, полученная рабочим телом от окружающей среды, равна энергии, переданной им окружающей среде. Работу тепловые двигатели выполняют благодаря разности давлений газа на поверхностях поршней или лопаток турбины. Эта разность давлений создается с помощью разности температур. Таким является принцип работы тепловых двигателей.

Механик. Одним из самых распространенных видов тепловой машины является двигатель внутреннего сгорания (ДВС), который ныне используется в различных транспортных средствах. Вспомним строение такого двигателя: основным элементом является цилиндр с поршнем, внутри которого сгорает топливо.

Цилиндр имеет два клапана - впускной и выпускной. Кроме того, работа двигателя обеспечивается наличием свечи, шатунного механизма и коленчатого вала, соединенного с колесами автомобиля. Работает двигатель в четыре такта (рис. 3): И такт - впуск горючей смеси; II такт - сжатие, в конце его топливо воспламеняется искрой от свечи; III такт - рабочий ход, во время этого такта газы, образующиеся от сгорания топлива, выполняющих работу, толкая поршень вниз; IV такт - выпуск, когда отработанные и охлажденные газы выходят наружу. График замкнутого цикла, который характеризует изменения состояния газа во время работы этого двигателя, изображена на рис. 4.

Полезная работа за один цикл примерно равен площади фигуры 2 - 3 - 4 - 5 - 6 - 2. Распространение таких двигателей обусловлено тем, что они имеют малую массу, компактны, отличаются сравнительно высоким КПД (теоретически до 80 %, а практически - лишь 30 %). Недостатками является то, что они работают на дорогом топливе, сложные по конструкции, имеют очень большую скорость вращения вала двигателя, их выхлопные газы загрязняют атмосферу.

Эколог. Для повышения эффективности сгорания в двигателях бензина (увеличение его октанового числа) в него добавляют различные вещества, преимущественно этиловую жидкость, в состав которой входит свинец тетраетил, что играет роль антидетонатора (около 70 % соединений свинца выбрасывается в воздух, когда работают двигатели). Наличие в крови даже незначительного количества свинца приводит к тяжелым заболеваниям, снижение интеллекта, перевозбуждения, развития агрессивности, невнимательности, глухоты, бесплодия, задержки роста, нарушения вестибулярного аппарата и тому подобное.

Еще одной проблемой являются выбросы карбон (II) оксида. Можно представить объем ущерба от СО, если лишь один автомобиль за сутки выбрасывает в воздух около 3,65 кг карбон (II) оксида (парк автомобилей превышает 500 млн, а плотность потоков машин, например, на автомагистралях Киева достигает 50-100 тыс. автомобилей в сутки с выбросом ежечасно 1800-9000 кг СО в воздух!).

Токсичность СО для человека заключается в том, что, попадая в кровь, он лишает эритроциты (красные кровяные тельца) способности транспортировать кислород, вследствие чего наступает кислородное голодание, удушье, головокружение и даже смерть. Кроме того, ДВС вносят свою долю и в тепловое загрязнение атмосферы, температура воздуха в городе, где есть большое количество автомобилей, всегда на 3-5 °С выше температуры за городом.

Историк. В 1896-1897 pp . немецким инженером Г. Дизелем был предложен двигатель, который имел более высокий КПД, чем был в предыдущих. В 1899 г. дизельный двигатель был приспособлен к работе на тяжелом жидком топливе, что повлекло его дальнейшее широкое использование.

Учитель. Какие отличия между дизельным и карбюраторным ДВС?

Механик. Дизельные двигатели не уступают по распространению карбюраторным двигателям. Строение их почти одинакова: цилиндр, поршень, впускной и выпускной клапаны, шатун, коленчатый вал, маховик и отсутствует свеча.

Это связано с тем, что топливо загорается не от искры, а от высокой температуры, которая создается над поршнем вследствие резкого сжатия воздуха. В это раскаленный воздух впрыскивается топливо, и оно сгорает, образуя рабочую смесь. Этот двигатель является чотиритактовим, диаграмма его работы изображена на рис. 5.

Полезная работа двигателя равна площади фигуры 2 - 3 - 4 - 5 - 6 - 2. Такие двигатели работают на дешевых сортах топлива, их КПД составляет около 40 %. Основным недостатком является то, что их работа очень связана с температурой окружающей среды (при низких температурах они не могут работать).

Эколог. Значительный прогресс в дизелебудуванні сделал эти двигатели «чище», чем бензиновые; их уже успешно используют на легковых автомобилях.

В выхлопных газах дизелей почти не содержится ядовитого карбон оксида, поскольку дизельное топливо не содержит свинец тетраетилу. То есть дизели загрязняют окружающую среду значительно меньше, чем карбюраторные двигатели.

Историк. Следующими тепловыми двигателями, которые мы рассмотрим, будут паровые и газовые турбины. Поскольку такие машины используют в основном на электростанциях (тепловых и атомных), то время их внедрения в технику следует считать вторую половину 30-х годов XX века хотя первые небольшие проекты таких агрегатов делались еще в 80-е годы XIX века. Конструктором первой промышленной газовой турбины следует считать. М. Маховского.

В 1883 году шведский инженер Г. Дач предложил первую конструкцию одноступеневої паровой турбины, а в 1884-1885 pp . англичанин Ч. Парсон сконструировал первую многоступенчатую турбину. Ч. Парсон в 1899 г. использовал ее на ГЭС в Эльберфельде (Германия).

Механик. В основу действия турбин положено вращения колеса с лопастями под давлением водяного пара или газа. Поэтому главной рабочей частью турбины является ротор - закрепленный на валу диск с лопатками по его ободу. Пар от парового котла направляется специальными каналами (соплами) на лопасти ротора. В соплах пар расширяется, давление его падает, но возрастает скорость истечения, то есть внутренняя энергия пара превращается в кинетическую энергию струмени.

Паровые турбины бывают двух типов: турбины активного действия, вращения роторов которых происходит в результате удара струмини в лопасти и турбины реактивного действия, в которых лопасти расположены так, что пара, вырываясь из щели между ними, создает реактивную тягу. К преимуществам паровой турбины следует отнести быстроходность, значительную мощность и большую удельную мощность. КПД паровых турбин достигает 25 %. Его можно повысить, если турбина имеет несколько ступеней давления, состоящие из сопел и рабочих лопаток, которые чередуются. Скорость пара в такой турбине уменьшается на рабочей лопасти, а затем (после прохождения через сопло) снова увеличивается вследствие уменьшения давления. Таким образом, от ступени к ступени давление пара последовательно уменьшается, и она многократно выполняет работу. В современных турбинах количество ступеней достигает 30.

Недостатком турбин является инерционность, невозможность регулирования скорости вращения, отсутствие обратного хода.

Эколог. Применение паровых турбин на электростанциях требует отвода больших площадей под пруды, в которых охлаждается отработанный пар. С увеличением мощностей электростанций резко возрастает потребность в воде, кроме того, в результате охлаждения пара большое количество теплоты выделяется в окружающую среду, что приводит, опять же, к тепловому возбуждению и повышению температуры Земли.

Историк. К тепловым машинам относятся реактивные двигатели. Теория таких двигателей воссоздана в трудах Е. К. Циолковского, которые написаны в начале XX века, а внедрение их связано с именем другого украинского изобретателя - С. П. Королева. В частности, под его руководством были созданы первые реактивные двигатели, которые применялись на самолетах (1942), а позже (1957) был запущен первый космический спутник и первый пилотируемый космический корабль (1961). Какой же принцип действия реактивных двигателей?

Механик. Тепловые двигатели, которые используют реактивную тягу утечка газов, называют реактивными. Принцип их действия заключается в том, что топливо, сгорая, превращается в газ, который с большой скоростью вытекает из сопел двигателя, заставляя двигаться летательный аппарат в противоположном направлении. Рассмотрим несколько типов таких двигателей.

Одним из самых простых по конструкции является прямоточный воздушно-реактивный двигатель. Это труба, в которую встречный поток нагнетает воздух, а жидкое топливо впрыскивается в нее и поджигается. Раскаленные газы вылетают из трубы с большой скоростью, придавая ей реактивной тяги. Недостатком этого двигателя является то, что для создания тяги он должен двигаться относительно воздуха, то есть самостоятельно он взлететь не может. Наибольшая скорость составляет 6000 - 7000 км/ час.

Если в реактивном двигателе есть турбина и компрессор, то такой двигатель называют турбокомпресорним. Во время работы такого двигателя воздух через заборник попадает в компрессор, где сжимается и подается в камеру сгорания, куда впрыскивается топливо. Здесь оно поджигается, продукты сгорания проходят через турбину, которая вращает компрессор, и вытекают через сопло, создавая реактивную тягу.

В зависимости от распределения мощностей эти двигатели делятся на турбореактивные и турбовинтовые. Первые большую часть мощности затрачивают на реактивную тягу, а вторые - на вращение газовой турбины.

Преимуществами этих двигателей является то, что они имеют большую мощность, которая обеспечивает большие скорости, необходимые для поднятия в космос. Недостатки - большие габариты, малый КПД, а также вред, который они наносят окружающей среде.

Эколог. Поскольку в реактивных двигателях также сгорает топливо, то они, как и все тепловые двигатели загрязняют окружающую среду вредными веществами, которые выделяются во время сгорания. Это двуокись углерода (CO 2), угарный газ (СО), сернистые соединения, азот оксиды и другие. Если во время работы автомобильных двигателей массы этих веществ составляли килограмма, то теперь - это тонны и центнера. Кроме того, высотные полеты самолетов, запуски космических ракет, полеты военных баллистических ракет негативно влияют на озоновый слой атмосферы, разрушая его. Подсчитано, что сто запусков подряд космического челнока «Спейс-Шаттл» могли бы почти полностью разрушить защитный озоновый слой атмосферы Земли, Учитель. Какими же должны быть двигатели будущего? Механик. Большинство специалистов считает, что это должны быть водородные двигатели, то есть такие, в которых водород будет вступать в реакцию с кислородом, в результате чего будет образовываться вода. Разработки, которые ведутся в этом направлении, дают много различных конструкций подобных двигателей: от таких, где баки заправляются соответствующими газами, к машин, где горючим является сахарный сироп. А еще есть конструкции, где топливом является масло, спирт и даже биологические отходы. Но пока что все эти двигатели существуют только в виде экспериментальных образцов, которым еще далеко до внедрения в промышленное производство. Однако даже эти разработки дают надежду на то, что в будущем мы будем иметь экологически гораздо более «чистые» машины, чем современные. И хотя создать тепловую машину, которая совсем не загрязняла бы окружающую среду, нам еще не удается, но стремиться к этому мы будем.

III . Домашнее задание

Выполнить домашнюю контрольную работу

Вариант 1

1. Давление газа под поршнем составляет 490 кПа. Какую работу выполняет газ, если его при постоянном давлении нагревают до температуры, вдвое большую от первоначальной? Начальный объем газа 10 л.

2. Пар поступает в турбину при температуре 500 °С, а выходит при температуре 30 °С. Считая турбину идеальной тепловой машиной, вычислите ее КПД.

3. Или остынет воздух в комнате, если держать открытой дверцу включенного в сеть холодильника?

Вариант 2

1. На сколько изменяется внутренняя энергия 200г гелия при увеличении температуры на 20 К?

2. Температура нагревателя идеальной машины 117 °С, а холодильника 27 °С. Количество теплоты, что ее получает машина от нагревателя за 1 с, равно 60 кДж. Вычислить КПД машины, количество теплоты, которое забирает холодильник за 1 с, и мощность машины.

3. Когда КПД теплового двигателя выше: в холод или жару?

Приложение 1

Паровая машина И. Ползунова

Джеймс Уатт усовершенствовал паровой насос Ньюкомена, повысив эффективность его работы. Его паровые машины, изготовленные в 1775 году, работали на многих заводах Великобритании

Некоторые данные о двигателе	Карбюраторный двигатель	Дизельный двигатель
Рабочее тело	Продукты сгорания бензина	Продукты сгорания дизельного топлива
		Дизельное топливо
Давление в цилиндре		1,5·106-3,5·106 Па
Температура сжатого воздуха
Температура продуктов сгорания
	20-25 % (до 35 %)	30-38 % (до 45%)
Использование	В легких мобильных машинах сравнительно небольшой мощности (легковые автомобили, мотоциклы и т. п)	В грузовых автомобилях большой мощности, тракторах,тракторах, тепловозах, на стационарных установках ТЭС
История создания	Впервые запатентован в 1860 г. французом Ленуаром; в 1878 г. построен двигатель с КПД = 2 % (немецкий изобретатель Отто и инженер Ланген)	Создан в 1893 г. немецким инженером Г. Дизелем

Приложение 3

Схема строения реактивного двигателя

Тепловые двигатели необходимы для получения электроэнергии, для приведения в движение большинства транспортных машин.

Наибольшее значение имеет применение мощных паровых турбин на электростанциях для вращения роторов генераторов. Паровые турбины устанавливают также на атомных электростанциях, где для получения пара высокой температуры используется энергия атомных ядер.

На современном транспорте используются все виды тепловых двигателей. В автомобилях, тракторах, самоходных комбайнах, тепловозах применяются поршневые двигатели внутреннего сгорания, в авиации - газовые турбины, на космических ракетах - реактивные двигатели.

Тепловые двигатели оказывают некоторые вредные воздействия на окружающую среду:

КПД тепловых двигателей η < 50 %, следовательно, большая часть энергии топлива рассеивается в окружающем пространстве, вредно влияя на общую экологическую обстановку:
тепловые электростанции и автомобили выбрасывают вредные для растений, животных и человека продукты сгорания топлива (сернистые соединения, оксиды углерода, оксиды азота и др.);
повышение концентрации углекислого газа в атмосфере увеличивает "парниковый эффект" Земли.

В связи с этим весьма важной стала проблема охраны природы. Для охраны окружающей среды необходимо обеспечить:

эффективную очистку выбрасываемых в атмосферу отработанных газов;
использование качественного топлива, создание условий для более полного его сгорания;
повышение КПД тепловых двигателей за счет уменьшения потерь на трение и полного сгорания топлива и др.

Перспективно использование водорода в качестве горючего для тепловых двигателей: при сгорании водорода образуется вода. Идут интенсивные исследования по созданию электромобилей, способных заменить автомобили с двигателем, работающим на бензине.

Литература

Аксенович Л. А. Физика в средней школе: Теория. Задания. Тесты: Учеб. пособие для учреждений, обеспечивающих получение общ. сред, образования / Л. А. Аксенович, Н.Н.Ракина, К. С. Фарино; Под ред. К. С. Фарино. - Мн.: Адукацыя i выхаванне, 2004. - C. 165.

В объемных нагнетателях

Объемные нагнетатели:

поршневые

ротационные

Поршневые детандеры

Насосы

Насосы – гидравлические машины для подъема и перемещения жидкостей.

Лопастные (центробежные, осевые, вихревые)

Объемные (поршневые, плунжерные)

Ротационные (шестерёнчатые, шиберные, винтовые)

Струйные (инжекторы и эжекторы).

В объемных насосах передача энергии производится принудительным воздействием рабочего тел на перемещаемую среду и ее вытеснением. В лопастных насосах преобразование мех. энергии в гидравлическую производится вращающимся колесом, снабженными лопастями.

Вентиляторы

Вентиляторы - это механические устройства, служащие для перемещения воздуха по воздуховодам, или непосредственной подачи либо отсоса воздуха из помещения. Перемещение воздуха происходит из-за создания перепада давления между входом и выходом вентилятора.

Вентиляторы подразделяются на типы по нескольким показателям:

Компрессоры

Компрессором называют воздуходувную машину, предназначенную для сжатия и подачи воздуха или какого-либо газа под давлением не ниже 0,2 МПа.

Объемные компрессоры работают по принципу вытеснения, когда давление перемещаемой среды повышается в результате сжатия. К ним относятся поршневые и роторные компрессоры.

Динамические компрессоры работают по принципу силового действия на перемещаемую среду. К ним относятся лопастные (радиальные, центробежные, осевые) нагнетатели и нагнетатели трения (вихревые, дисковые, струйные и т.п.).

Лопастными называют компрессоры, в которых среда перемещается за счет энергии, передаваемой ей при обтекании лопастей рабочего колеса.

Классификация тепловых двигателей:

Тепловые двигатели – это машины, в которых тепловая энергия рабочей среды преобразуется в механическую работу.

Тепловые двигатели:

Паровые турбины. Пар, образующийся в паровом котле, расширяясь, под высоким давлением проходит через лопатки турбины. Турбина вращается и производит механическую энергию, используемую генератором для производства электричества.

Газовая турбина, тепловой двигатель непрерывного действия, в лопаточном аппарате которого энергия сжатого и нагретого газа преобразуется в механическую работу на валу. Двигатель Стирлинга - двигатель внешнего. В двигателе внутреннего сгорания топливо сгорает внутри цилиндров и тепловая энергия, выделяющаяся при этом, преобразуется в механическую работу.

КПД компрессоров.

В энергетике под КПД обычно понимают отношение полезно используемой энергии ко всей затраченной. И чем выше процент полезно используемой энергии из всего её затраченного количества, тем выше КПД. В случае компрессорных машин такое определение КПД оказывается неприемлимым.

Поэтому для оценки степени совершенства реальных компрессорных машин их сравнивают с идеальными. При этом для охлаждающих компрессоров вводится изотермический КПД:

ηиз = lиз / lд =Nиз/ Nд

lиз - работа на привод идеального компрессора при изотермическом сжатии,

lд - действительная работа на привод реального охлаждаемого компрессора,

Nиз,Nд - соответствующие мощности приводных двигателей;

Преимущества ПГУ

· Парогазовые установки позволяют достичь электрического КПД более 50 %. Низкая стоимость единицы установленной мощности

· Парогазовые установки потребляют существенно меньше воды на единицу вырабатываемой электроэнергии по сравнению с паросиловыми установками

· Короткие сроки возведения (9-12 мес.)

· Нет необходимости в постоянном подвозе топлива ж/д или морским транспортом

· Компактные размеры позволяют возводить непосредственно у потребителя (завода или внутри города), что сокращает затраты на ЛЭП и транспортировку эл. энергии

· Более экологически чистые в сравнении с паротурбинными установками

Недостатки ПГУ

· Низкая единичная мощность оборудования (160-972,1 МВт на 1 блок), в то время как современные ТЭС имеют мощность блока до 1200 МВт, а АЭС 1200-1600 МВт.

· Необходимость осуществлять фильтрацию воздуха используемого для сжигания топлива

Место и роль тепловых двигателей в системах тепло энергоснабжения промпредприятий

Наибольшее распространение в народном хозяйстве получили лопастные насосы. Создаваемый ими напор может превышать 3500 м, а подача - 100 000 м3/ч в одном агрегате.

В теплоэнергетических установках для питания котлов, подачи конденсата в системе регенеративного подогрева питательной воды, циркуляционной воды в конденсаторы турбин, сетевой воды в системах теплофикации применяются центробежные насосы.

В последнее время в связи с ростом мощности паровых турбин в конденсационных установках иногда применяют осевые насосы.

Центробежные и струйные насосы применяются на ТЭС в системах гидрозолоудаления.

Струйные насосы используются для удаления воздуха из конденсаторов паровых турбин.

Из объемных насосов в теплоэнергетике применяют поршневые насосы для питания паровых котлов малой паропроизводительности. Роторные насосы употребляются на электростанциях в системах смазки и регулирования турбин.

На ТЭС поршневые компрессоры служат для обдува поверхностей нагрева котлов с целью их очистки от летучих золы и сажи и снабжения сжатым воздухом пневматического ремонтного инструмента.

5-2. Классификация и область применения нагнетателей объемного действия и поршневых детандеров

Нагнетатель - гидравлическая машина, в которой происходит преобразование механической работы в механическую энергию рабочей среды. Основное назначение нагнетателя - повышение полного давления перемещаемой среды.

В объемных нагнетателях повышение энергии рабочего тела достигается силовым воздействием твердых рабочих тел.

Объемные нагнетатели:

поршневые - работающие при поступательном движении рабочего органа,

ротационные - нагнетатели, работающие при вращательном движении рабочего органа.

Назначение детандеров - максимальное понижение температуры при расширении газа с совершением внешней работы. Два основных типа: поршневые и турбодетандеры. Первые используют в установках малой производительности высокого и среднего давления воздуха. Вторые применяют преимущественно в больших установках, где расширение газов в них происходит большей частью с низкого давления.

Поршневые детандеры работают при более высоких начальных температурах газов вплоть до температуры окружающей среды (процесс Гейландта). Турбодетандеры, если не считать пускового периода, работают при более низких температурах.

Работу, совершаемую детандером, используют для выработки электроэнергии. Это позволяет в установках газообразного кислорода уменьшить расход энергии на сжатие воздуха, поступающего в установку, на 3-4%.

Поршневые детандеры

Поршневые детандеры установок газообразного кислорода предназначены для охлаждения относительно небольших количеств воздуха (несколько сот кубических метров в час)" при больших степенях расширения (от 6 до 30). Принцип действия поршневых детандеров заключается в передаче работы расширения газа в цилиндре коленчатому валу машины через кривошипно-шатунный механизм. Поршневые детандеры выпускают в вертикальном и горизонтальном исполнении, и в зависимости от начальных параметров воздуха они относятся к машинам высокого или среднего давления.

Рабочий процесс в детандере складывается из шести процессов.

Процесс 1-2 (наполнение) протекает с открытым впускным клапаном

Процесс 2-3 (расширение) протекает при закрытых клапанах; количество газа в цилиндре постоянно.

Процесс 3-4 (выхлоп) происходит тогда, когда поршень находится в нижней мертвой точке. Расширенный газ выходит через открытый выпускной клапан.

Процесс 4-5 (выталкивание) происходит во время движения поршня от НМТ. Расширенный и охлажденный газ при постоянном давлении выталкивается из цилиндра в трубопровод за детандером, где смешивается с той частью газа, которая была выпущена из цилиндра в процессе 3-4. Выталкивание заканчивается в точке 5, когда выпускной клапан закрывается.

Процесс 5-6 (обратное поджатие). В течение этого процесса оставшийся в цилиндре газ сжимается при дальнейшем обратном движении поршня к ВМТ. При этом давление и температура газа повышаются. Процесс 6-1 (впуск) начинается в точке 6, когда открывается впускной клапан.

На рис. 85 показаны индикаторные диаграммы реального детандера среднего давления.

а - диаграмма давлений; б - диаграмма температур

Техническая термодинамика. Основные понятия и определения

Карташевич, А.Н., Костенич, В.Г., Понталев, О.В.

К 27 Теплотехника: курс лекций. Часть 1. – Горки: Белорусская государственная сельскохозяйственная академия, 2011. 48 с.

ISBN 978-985-467-319-6

Рассмотрены основные параметры и уравнения состояния идеальных газов, понятие и виды теплоёмкости, идеальные газовые смеси и методы определения их параметров. Приведены формулировки и основные положения первого и второго законов термодинамики, анализ основных термодинамических процессов идеальных газов.

Для студентов специальностей 1-74 06 01 – Техническое обеспечение процессов сельскохозяйственного производства, 1‑74 06 04 – Техническое обеспечение мелиоративных и водохозяйственных работ, 1‑74 06 06 – Материально-техническое обеспечение АПК.

Таблиц 4. Рисунков 27. Библиогр. 12.

Рецензенты: А.С. ДОБЫШЕВ, доктор техн. наук, профессор, зав. кафедрой механизации животноводства и электрификации сельскохозяйственного производства (УО «БГСХА»); В.Г. САМОСЮК, канд. экон. наук, генеральный директор РУП «НПЦ НАН Беларуси по механизации сельского хозяйства».

УДК 621.1 (075.8)

ББК 31.3я73

Теплота используется во всех областях деятельности человека – для получения электроэнергии, привода транспорта и различных механизмов, отопления помещений, а также на технологические нужды.

Основным способом получения теплоты сегодня является сжигание ископаемых топлив – угля, нефти и газа, которое удовлетворяет около 90 % энергетических потребностей человечества. Данные о потреблении энергоресурсов в мире за последние годы и его распределении по видам представлены в табл. 1 .

Таблица 1. Структура мирового энергопотребления в 1998–2008 гг.

Как видно из приведенных в табл. 1 данных, мировое энергопотребление из года в год увеличивается. Численность населения и потребности человека постоянно растут, и это вызывает увеличение объёмов производства энергии и темпов роста ее потребления.

Однако запасы нефти, газа и угля не бесконечны и, по прогнозам, разведанных ресурсов может хватить: нефти – на 40 лет, газа – на 60 лет, угля – на 120 лет. Запасов природного урана достаточно для удовлетворения мировых потребностей в энергии примерно на 85 лет.

Другим фактором, ограничивающим дальнейшее увеличение объёмов выработки энергии за счет сжигания топлива, является все возрастающее загрязнение окружающей среды продуктами его сгорания. Не менее опасным является и тепловое загрязнение окружающей среды, ведущее к глобальному потеплению и изменению климата Земли, таянью ледников и повышению уровня Мирового океана.

В ядерной энергетике возникают экологические проблемы другого рода, связанные с необходимостью захоронения ядерных отходов, что также сопряжено с большими трудностями.

Для определения наиболее рациональных способов использования теплоты, анализа экономичности рабочих процессов тепловых установок и создания новых, более совершенных типов тепловых аппаратов необходимо знание теоретических основ теплотехники.