Тепловые двигатели и охрана окружающей среды

1. Тепловые двигатели и охрана окружающей среды

Авторы:
Завьялкова Ангелина,
Ваганова Наталья,
Сухова Ольга, 10 Б

2. Что такое тепловой двигатель?

Тепловой двигатель — устройство, совершающее работу за
счет использования внутренней энергии, тепловая машина,
превращающая тепло в механическую энергию, использует
зависимость теплового расширения вещества от температуры.
(Возможно использование изменения не только объёма, но и
формы рабочего тела, как это делается в твёрдотельных
двигателях, где в качестве рабочего тела используется вещество в
твёрдой фазе.)
Действие теплового двигателя подчиняется законам
термодинамики. Для работы необходимо создать
разность давления по обе стороны поршня двигателя или
лопастей турбины. Для работы двигателя обязательно нужно
наличие топлива. Это возможно при нагревании рабочего тела
(газа), которое совершает работу за счёт изменения своей
внутренней энергии. Повышение и
понижение температуры осуществляется, соответственно,
нагревателем и охладителем.

3. Виды тепловых двигателей

Паровая
машина
Газовая турбина
Двигатель внутреннего
сгорания (ДВС)
Реактивный двигатель

4.

5. Принцип работы паровой машины

Для привода паровой машины необходим паровой котёл.
Расширяющийся пар давит на поршень или на лопатки
паровой турбины, движение которых передаётся другим
механическим частям.

6. Принцип работы паровой машины

Принцип действия паровой машины показан на илл. Работа поршня 1 посредством штока 2, ползуна 3,
шатуна 4 и кривошипа 5 передаётся главному валу 6, несущему маховик 7, который служит для
снижения неравномерности вращения вала. Эксцентрик, сидящий на главном валу, с помощью
эксцентриковой тяги приводит в движение золотник 8, управляющий впуском пара в полости
цилиндра. Пар из цилиндра выпускается в атмосферу или поступает в конденсатор. Для поддержания
постоянного числа оборотов вала при изменяющейся нагрузке паровые машины
снабжаются центробежным регулятором 9, автоматически изменяющим сечение прохода пара,
поступающего в паровую машину (дроссельное регулирование, показано на рисунке), или момент
отсечки наполнения (количественное регулирование).
Поршень образует в цилиндре паровой машины одну или две полости переменного объёма, в которых
совершаются процессы сжатия и расширения, что показано на рис. кривыми зависимости
давления p от объёма V указанных полостей.
Эти кривые образуют замкнутую линию в соответствии с тепловым циклом, по которому работает
паровая машина между давлениями p1 и p2, а также объёмами V1 иV2поршневой первичный двигатель,
предназначенный для преобразования потенциальной тепловой энергии (давления) водяного пара в
механическую работу. Рабочий процесс П. м. обусловлен периодическими изменениями упругости
пара в полостях её цилиндра, объём которых изменяется в процессе возвратно-поступательного
движения поршня. Пар, поступающий в цилиндр паровой машины расширяется и перемещает
поршень. Возвратно-поступательное движение поршня преобразуется с помощью кривошипного
механизма во вращательное движение вала. Впуск и выпуск пара осуществляются системой
парораспределения. Для снижения тепловых потерь цилиндры паровой машины окружаются паровой
рубашкой.
Моменты начала и конца процессов расширения и сжатия пара дают четыре основные точки реального
цикла паровой машины: объём Ve, определяемый точкой 1 начала или предварения впуска; объём конца
впуска или наполнения Е, определяемый точкой 2 отсечки наполнения; объём предварения выпуска
или конца расширения Va, определяемый точкой 3 предварения выпуска; объём сжатия Vc,
определяемый точкой 4 начала сжатия. В реальной паровой машине перечисленные объёмы
фиксируются парораспределительными органами.

7. Газовая турбина

(фр. turbine от лат. turbo вихрь,
вращение) — это двигатель внутреннего сгорания
непрерывного действия, в лопаточном аппарате
которого энергия сжатого и/или нагретого газа
преобразуется в механическую работу на валу.
Основными элементами конструкции являются
ротор (рабочие лопатки, закреплённые на дисках)
и статор, именуемый сопловым аппаратом
(направляющие лопатки, закреплённые в корпусе).
Газовые турбины используются в
составе газотурбинных двигателей,
стационарных газотурбинных
установок (ГТУ) и парогазовых
установок (ПГУ).

8. Принцип работы газовой турбины

Газ под высоким давлением поступает через сопловой
аппарат турбины в область низкого давления, при этом расширяясь и
ускоряясь. Далее, поток газа попадает на рабочие лопатки турбины,
отдавая им часть своей кинетической энергии и сообщая лопаткам
крутящий момент. Рабочие лопатки передают крутящий момент
через диски турбины на вал. Газовая турбина чаще всего
используется как привод генераторов.
Механически газовые турбины могут быть значительно проще, чем
поршневые двигатели внутреннего сгорания. Более сложные
турбины (которые используются в современных турбореактивных
двигателях), могут иметь несколько валов, сотни турбинных и
статорных лопаток, а также обширную систему сложных
трубопроводов, камер сгорания и теплообменников.
Упорные подшипники и радиальные подшипники являются
критическими элементами разработки. Традиционно - это были
гидродинамические или охлаждаемые маслом шарикоподшипники.
Их превзошли воздушные подшипники, которые успешно
используются в микротурбинах и вспомогательных силовых
установках.

9.

10. Первый такт

- такт впуска Первый такт, он же
впускной, начинается с ВМТ (верхней мертвой
точки). Двигаясь вниз, поршень всасывает в
цилиндр топливовоздушную смесь. Работа
этого такта происходит при открытом клапане
впуска. Кстати, существует много двигателей с
несколькими впускными клапанами. Их
количество, размер, время нахождения в
открытом состоянии может существенно
повлиять на мощность двигателя. Есть
двигатели, в которых, в зависимости от нажатия
на педаль газа, происходит принудительное
увеличение времени нахождения впускных
клапанов в открытом состоянии. Это сделано
для увеличения количества всасываемого
топлива, которое, после возгорания,
увеличивает мощность двигателя. Автомобиль,
в этом случае, может гораздо быстрее
ускориться.

11. Второй такт

- такт сжатия Следующий такт работы
двигателя – такт сжатия. После того как поршень достиг
нижней точки, он начинает подниматься вверх, тем самым,
сжимая смесь, которая попала в цилиндр в такт впуска.
Топливная смесь сжимается до объемов камеры сгорания.
Что это за такая камера? Свободное пространство между
верхней частью поршня и верхней частью цилиндра при
нахождении поршня в верхней мертвой точке называется
камерой сгорания. Клапаны, в этот такт работы двигателя
закрыты полностью. Чем плотнее они закрыты, тем сжатие
происходит качественнее. Большое значение имеет, в данном
случае, состояние поршня, цилиндра, поршневых колец.
Если имеются большие зазоры, то хорошего сжатия не
получится, а соответственно, мощность такого двигателя
будет гораздо ниже. Компрессию можно проверить
специальным прибором. По величине компрессии можно
сделать вывод о степени износа двигателя.

12. Третий такт

- рабочий ход Третий такт – рабочий,
начинается с ВМТ. Рабочим он называется
неслучайно. Ведь именно в этом такте происходит
действие, заставляющее автомобиль двигаться. В этом
такте в работу вступает система зажигания. Почему
эта система так называется? Да потому, что она
отвечает за поджигание топливной смеси, сжатой в
цилиндре, в камере сгорания. Работает это очень
просто – свеча системы дает искру. Справедливости
ради, стоит заметить, что искра выдается на свече
зажигания за несколько градусов до достижения
поршнем верхней точки. Эти градусы, в современном
двигателе, регулируются автоматически «мозгами»
автомобиля. После того как топливо загорится,
происходит взрыв – оно резко увеличивается в объеме,
заставляя поршень двигаться вниз. Клапаны в этом
такте работы двигателя, как и в предыдущем,
находятся в закрытом состоянии.

13. Четвёртый такт

Четвертый такт - такт выпуска Четвертый такт
работы двигателя, последний – выпускной.
Достигнув нижней точки, после рабочего такта, в
двигателе начинает открываться выпускной клапан.
Таких клапанов, как и впускных, может быть
несколько. Двигаясь вверх, поршень через этот
клапан удаляет отработавшие газы из цилиндра –
вентилирует его. От четкой работы клапанов
зависит степень сжатия в цилиндрах, полное
удаление отработанных газов и необходимое
количество всасываемой топливно-воздушной
смеси.

14.

15. Принцип работы реактивного двигателя

Принцип действия реактивного двигателя можно
объяснить на действии пожарного брандспойта.
Вода под давлением подается по шлангу к
брандспойту, который имеет зауженный конец.
Вытекая через это более узкое, чем сам шланг,
отверстие, вода обретает скорость большую, чем в
шланге. Реакция (сила обратного давления) воды
при этом настолько сильная, что пожарнику
приходится со всех сил держать шланг, направляя
поток воды. Этот принцип реакции и используется в
реактивных двигателях.

16. Влияние тепловых двигателей на окружающую среду

1)Выделение в окружающую среду большого количества
тепла, которое должно привести к постепенному повышению
температуры на Земле.
2)Работа тепловых двигателей сопровождается сжиганием
большого количества угля, нефти и газа. Углекислый газ в
атмосфере наряду с парами воды приводит к "парниковому
эффекту", что ведет к увеличению температуры Земли.
3)Топки электростанций, двигатели внутреннего сгорания
выбрасывают в атмосферу вредные для растений, животных и
человека вещества: сернистые соединения, оксиды азота,
углеводороды, окиси углерода и др.
4)Актуальна проблема захоронения радиоактивных отходов
атомных станций.
5)Применение паровых турбин на электростанциях требует
больших площадей под пруды для охлаждения отработанного
пара (35% водоснабжения всех отраслей хозяйства).

17.

Влияние тепловых двигателей на окружающую среду
Отрицательное влияние тепловых машин на окружающую среду связано с
действием различных факторов.
Во-первых, при сжигании топлива используется кислород из атмосферы,
вследствие чего содержание кислорода в воздухе постепенно уменьшается.
Во-вторых, сжигание топлива сопровождается выделением в атмосферу
углекислого газа.
В третьих, при сжигании угля и нефти атмосфера загрязняется азотными и
серными соединениями, вредными для здоровья человека.
Одно из направлений, связанное с охраной окружающей среды, это увеличение
эффективности использования энергии, борьба за её экономию .
В процессе работы многочисленных тепловых машин возникают тепловые
потери, которые в конечном счете приводят к повышению внутренней энергии
атмосферы, т. е. к повышению ее температуры.
Это может привести к таянию ледников и катастрофическому повышению
уровня Мирового океана, а вместе с тем к глобальному изменению природных
условий.
При работе тепловых установок и двигателей в атмосферу выбрасываются
вредные для человека, животных и растений оксиды азота, углерода и серы.

18. Воздействие тепловых двигателей на окружающую среду

Отрицательное влияние топливных машин на
окружающую среду.
Во-первых ,при сжигании топлива используется
кислород из атмосферного воздуха, поэтому содержание
кислорода в воздухе постепенно уменьшается.
Во-вторых сжигание топлива сопровождается
выделением в атмосферу углекислого газа.
В-третьих, при сжигании топлива атмосфера
загрязняется азотными и серными соединениями,
вредными для здоровья человека.
Сжигание топлива
Выбросы углекислого газа при сжигании топлива
При сжигании топлива атмосфера загрязняется азотными
и серными соединениями.

19. Каковы загрязнения?

оксид азота
угарный газ
гексен
свинец
кадмий
хлор
пентен
серный ангидрид

20. Парниковый эффект

Плюсы:
1. Более теплый климат представляется благом, так как могут уменьшится счета
за отопление и увеличение продолжительности вегетационного сезона в
средних и высоких широтах.
2. Увеличение концентрации диоксида углерода может ускорить фотосинтез.
Минусы :
1. В тропиках будет выпадать больше осадков, так как дополнительное тепло
повысит содержание водяного пара в воздухе.
2. Температура морей также повысится, что приведет к затоплению низинных
областей побережья и к увеличению числа сильных штормов.
3. Повышение температуры на Земле может вызвать поднятие уровня моря
4. Сократятся жилые земли.
5. Нарушится водосолевой баланс океанов.
6. Изменятся траектории движения циклонов и антициклонов.
7. Если температура на Земле повысится, многие животные не смогут
адаптироваться к климатическим изменениям. Многие растения погибнут от
недостатка влаги и животным придется переселится в другие места в поисках
пищи и воды. Если повышение температуры приведет к гибели многих
растений, то вслед за ними вымрут и многие виды животных.

21. Снижению вредных выбросов автомобилей способствует:

Равномерное движение машин на улицах, ликвидация заторов, сокращение задержек
транспорта на перекрестках. Большую роль в этом играет светофор. Благодаря светофору
автомобили меньше простаивают на перекрестках, вхолостую расходуя горючее и загрязняя
воздух отработанными газами.
Предельная скорость движения в городе установлена не 80 км/ч и не 50 км/ч, а 60 км/ч, т.к.
при этой скорости происходит минимум вредных выбросов.
Важен вывод из городской черты грузовых транзитных потоков: в нашей области это
выполняется.
В некоторых городах России есть микрорайоны, куда въезд автотранспорта предельно
ограничен и где люди ходят только пешком. Жаль, но в нашем городе таких микрорайонов
нет.
Каждый водитель должен знать, что причины “дымления” автомобилей следующие:
неисправность двигателя, не отлаженность систем питания и зажигания.
Если все автомобильные двигатели будут правильно отрегулированы, то выброс вредных
веществ в атмосферу уменьшится в 5-6 раз. Нежелание лишний час покопаться в двигателе
приводит к тому, что автомобиль неделями, а то и месяцами “ развозит” по улицам
ядовитый чад. Плохо накаченные шины не только быстрее изнашиваются, но и
увеличивают сопротивление движению, а значит, сжигается больше горючего. Неумелое
поведение водителя за рулем: неправильный выбор скорости движения, резкие разгоны и
торможения, превышения установленной скорости, увеличение частоты вращения на
холостом ходу- все это приводит к загрязнению атмосферы. Значит, нужна разъяснительная
работа среди водителей.Для контроля над техническим состоянием автомобилей есть
диагностические станции: “ВАЗ-сервис”, “ГАЗ-сервис” и др. Такие диагностические
станции должны иметь транспортные предприятия, но в наше время это многим не по
карману.

22. Пути решения экологических проблем

Уменьшить потребление ископаемого топлива.
Резко сократить использование угля и нефти, которые выделяют на 60 %
больше диоксида углерода на единицу производимой энергии, чем любое
другое ископаемое топливо в целом;
использовать вещества (фильтры, катализаторы) для удаления диоксида
углерода из выброса дымовых труб углесжигающих электростанций и
заводских топок, а также автомобильных выхлопов;
повысить энергетический коэффициент полезного действия; - требовать
чтобы в новых домах использовались более эффективные системы
отопления и охлаждения;
увеличить использование солнечной, ветровой и геотермальной энергии;
существенно замедлить вырубку и деградацию лесных массивов;
удалить с прибрежных территорий резервуары для хранения опасных
веществ; - расширить площади существующих заповедников и парков;
создать законы, обеспечивающие предупреждение глобального потепления;
выявлять причины глобального потепления, наблюдать за ними и устранять
их последствия

23. Борьба с загрязнением окружающей среды

Посадка растений и деревьев;
Использовать безопасное топливо;
Создавать очистительные фильтры на трубах
фабрик и заводов;
С вредными последствиями работы тепловых
машин можно бороться путем повышения КПД,
их регулировки и создания новых двигателей, не
выбрасывающих вредные вещества с
отработанными газами.
паровая машина.