Тепловые двигатели и их влияние на экологию

Тепловые двигатели и их влияние на экологию

Проект подготовила

Ковинько Екатерина

8 «Ж» класс

Цели и задачи

Цель: определить экологические проблемы, вызванные тепловыми двигателями

Задачи:

Узнать, что такое тепловой двигатель, принцип его работы и классификацию тепловых двигателей.

Определить влияние тепловых двигателей на окружающую среду.

Принцип работы тепловых двигателей

Внутренняя энергия Механическая работа

• Машины, в которых внутренняя энергия топлива превращается в механическую, называются тепловыми двигателями

Тепловой двигатель состоит

• Нагреватель

• Рабочее тело, способное расширяться и сжиматься (газ или пар)

• Холодильник (возможно окружающая среда)

Техническая задача

• Дать возможность рабочему телу попеременно приходить в соприкосновение с нагревателем и холодильником
• Рабочее тело может совершать работу, когда оно не находится в тепловом равновесии с окружающей средой

Классификация тепловых двигателей. Двигатели внешнего сгорания

1.Паровая машина

2.Паровая и газовая турбина

Двигатели внешнего сгорания. История создания.

• В XIX веке инженеры хотели создать безопасную замену паровым двигателям того времени, котлы которых часто взрывались из-за высоких давлений пара 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.

Двигатели внешнего сгорания. История создания.

• Двигатель внешнего сгорания — тепловая машина, в которой жидкое или газообразное рабочее тело 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.
• Патент на изобретение двигателя внешнего сгорания (Стирлинга) как ни странно принадлежит шотландскому священнику Роберту Стирлингу. Его он получил 27 сентября 1816 года. Первые «двигатели горячего воздуха» стали известны миру ещё в конце XVII века, задолго до Стирлинга. Одним из важных достижений Стирлинга является добавление очистителя, прозванный им же самим "экономом".

Паровые машины

Паровой котел Дени Папена1690 г.

1- цилиндр, 2 -поршень,3 -штифт, 4 –чека, 5 груз.

Беспоршневой водоподъемник Томаса Севери 1698 г.

1-резервуар,2-паровой котел,3-водосборник,4-резервуар,5-кран,6 и 7-клапаны,8-резервуар

Паровые машины

• Поршневой насос Томас Ньюкомен 1711 г.
• Пароатмосферная машина непрерывного действия И.И.Ползунов 1764г.
• 1-цилиндр,2-поршень,3-балансир,4-меха,5-котел,6-парораспределительный кран,7-водораспределительный кран,8-бак

Паровые машины

• Универсальная паровая машина Джемса Уатта 1765г
• 1-золотниковая коробка,2-цилиндр, 3-золотник,4-эксцентрик,5-окна, 6-поршень,7-шток,8-ползун,9-шатун, 10-кривошип,11-вал,12-маховик

Паровые турбины

• Шар Герона 2000 лет назад
• 1-котел,2-шар

• Турбина Бранка начало XVII века
• 1-паровой котел,2-сопло,3-лопости колеса

Классификация тепловых двигателей. Двигатели внутреннего сгорания.

1 Карбюраторные, дизельные

2 Реактивные

Двигатели внутреннего сгорания. История создания.

• В 1799 году французский инженер Филипп Лебон открыл светильный газ и получил патент на использование и способ получения светильного газа путём сухой перегонки древесины или угля. Это открытие имело огромное значение, прежде всего для развития техники освещения. Очень скоро во Франции, а потом и в других странах Европы газовые лампы стали успешно конкурировать с дорогостоящими свечами. Однако светильный газ годился не только для освещения. Изобретатели взялись за конструирование двигателей, способных заменить паровую машину, при этом топливо сгорало бы не в топке, а непосредственно в цилиндре двигателя.

Двигатели внутреннего сгорания. История создания.

• В 1801 году Лебон взял патент на конструкцию газового двигателя. Принцип действия этой машины основывался на известном свойстве открытого им газа: его смесь с воздухом взрывалась при воспламенении с выделением большого количества теплоты. Продукты горения стремительно расширялись, оказывая сильное давление на окружающую среду. Создав соответствующие условия, можно использовать выделяющуюся энергию в интересах человека. В двигателе Лебона были предусмотрены два компрессора и камера смешивания. Один компрессор должен был накачивать в камеру сжатый воздух, а другой — сжатый светильный газ из газогенератора. Газовоздушная смесь поступала потом в рабочий цилиндр, где воспламенялась. Двигатель был двойного действия, то есть попеременно действовавшие рабочие камеры находились по обе стороны поршня. По существу, Лебон вынашивал мысль о двигателе внутреннего сгорания, однако в 1804 году он был убит, не успев воплотить в жизнь своё изобретение.

Двигатели внутреннего сгорания. История создания.

• В последующие годы несколько изобретателей из разных стран пытались создать работоспособный двигатель на светильном газе. Однако все эти попытки не привели к появлению на рынке двигателей, которые могли бы успешно конкурировать с паровой машиной. Честь создания коммерчески успешного двигателя внутреннего сгорания принадлежит бельгийскому механику Жану Этьену Ленуару. Работая на гальваническом заводе, Ленуар пришёл к мысли, что топливовоздушную смесь в газовом двигателе можно воспламенять с помощью электрической искры, и решил построить двигатель на основе этой идеи.

Двигатели внутреннего сгорания. История создания.

• К 1864 году было выпущено уже более 300 таких двигателей разной мощности. Разбогатев, Ленуар перестал работать над усовершенствованием своей машины, и это предопределило её судьбу — она была вытеснена с рынка более совершенным двигателем, созданным немецким изобретателем Августом Отто.

• В 1864 году тот получил патент на свою модель газового двигателя и в том же году заключил договор с богатым инженером Лангеном для эксплуатации этого изобретения. Вскоре была создана фирма «Отто и Компания».

Двигатели внутреннего сгорания. История создания.

• Первые двигатели внутреннего сгорания были одноцилиндровыми, и, для того чтобы увеличить мощность двигателя, обычно увеличивали объём цилиндра. Потом этого стали добиваться увеличением числа цилиндров.
• В конце XIX века появились двухцилиндровые двигатели, а с начала XX столетия стали распространяться четырёхцилиндровые.

Вид двигателя

Паровая машина

Достоинства

ДВС:

Простота, хорошая тяговая характеристика

Недостатки

Турбина

карбюраторный

Мощность, кВт КПД, %

Низкий КПД, малая скорость, большой вес, загрязнение окружающей среды

Мощность 300000-1300000 кВт

1-200 25

дизельный

Реактивный двигатель

Выхлопные газы, шум

КПД 30%

15-2200 35

Шумовое загрязнение

Мощность до 30000000 кВт

КПД 80%

Шумовое загрязнение

Экологические проблемы

• Загрязнение мирового океана
• Уменьшение природного разнообразия
• Опустынивание
• Глобальное потепление климата
• Образование озоновых дыр
• Радиационная опасность

Экологические проблемы

• Топки тепловых электростанций, двигатели внутреннего сгорания автомобилей, самолетов и других машин выбрасывают в атмосферу вредные для человека, животных и растений вещества, например сернистые соединения (при сгорании каменного угля), оксиды азота, углеводороды, оксид углерода (угарный газ СО), хлор и т. д. Эти вещества попадают в атмосферу, а из нее — в различные части ландшафта.

Экологические проблемы

• Особую опасность в увеличении вредных выбросов в атмосферу представляют двигатели внутреннего сгорания, установленные на автомобилях, самолетах, ракетах.

Шумовое загрязнение

• Шумовое загрязнение раздражающий шум антропогенного происхождения, нарушающий жизнедеятельность живых организмов и человека. Раздражающие шумы существуют и в природе (абиотические и биотические), однако считать загрязнением их неверно, поскольку живые организмы адаптировались к ним в процессе эволюции.
• Главным источником шумового загрязнения являются транспортные средства — автомобили, железнодорожные поезда и самолёты.
• В городах уровень шумового загрязнения в жилых районах может быть сильно увеличен за счёт неправильного городского планирования (например, расположение аэропорта в черте города), другими важными источниками шумового загрязнения в городах являются промышленные предприятия, строительные и ремонтные работы, автомобильная сигнализация, системы вентиляции, собачий лай, шумные люди и т. д.
• С наступлением постиндустриальной эпохи всё больше и больше источников шумового загрязнения (а также электромагнитного) появляется и внутри жилища человека. Источником этого шума является бытовая и офисная техника.
• Более половины населения Западной Европы проживает в районах, где уровень шума составляет 55÷70 дБ.

Шкала шумового загрязнения

Шум дыхания, шелест травы

До 10 дБ

Шепот

20 дБ

Тихий разговор

2-40 дБ

Уличный шум

Шум грузового авто

70 дБ

80 дБ

Шум реактивного самолёта

Шум поезда, метро, мотоцикла

90 дБ

Шум реактивного самолёта при взлёте

100 дБ

Шум реактивного двигателя ракеты

140 дБ

Допустимая реальная граница громкости -

190 -200 дБ

80 дБ

Одна из экологических проблем – кислотный дождь

• Термин «кислотные дожди» ввел в 1872 г. английский инженер Роберт Смит в книге «Воздух и дождь: начало химической климатологии». Кислотные дожди, содержащие растворы серной и азотной кислот, наносят значительный ущерб природе. Земля, водоемы, растительность, животные и постройки становятся их жертвами. При сжигании любого ископаемого топлива (угля, горючего сланца, мазута) в составе выделяющихся газов содержатся диоксиды серы и азота. В зависимости от состава топлива их может быть меньше или больше. Особенно насыщенные сернистым газом выбросы дают высокосернистые угли и мазут. Миллионы тонн диоксидов серы, выбрасываемые в атмосферу, превращают выпадающие дожди в слабый раствор кислот.

Последствия кислотного дождя

Глобальное потепление

Выбросы вредных веществ в атмосферу - не единственная сторона воздействия энергетики на природу. Согласно законам термодинамики производство электрической и механической энергии в принципе не может быть осуществлено без отвода в окружающую среду значительных количеств теплоты. Это не может не приводить к постепенному повышению средней температуры на земле, называемое «тепловым загрязнением». Этот эффект усиливается тем, что при сгорании огромного количества топлива повышается концентрация углекислого газа в земной атмосфере. А при большой концентрации углекислого газа атмосфера плохо пропускает тепловое излучение нагретой Солнцем поверхности Земли, что приводит к «парниковому эффекту». В результате описанных процессов средняя температура на Земле в течение последних десятилетий неуклонно повышается. Это грозит глобальным потеплением с нежелательными последствиями, к числу которых относятся таяние ледников и подъем уровня мирового океана.

Атомные электростанции

• Из-за большого энергопотребления в ряде регионов планеты возможность самоочищения их воздушных бассейнов оказалась уже исчерпанной. Необходимость значительно снизить выброс загрязняющих веществ привела к использованию новых видов топлива, в частности к строительству атомных электростанций (АЭС).
• Но на атомных электростанциях встают другие проблемы: захоронение опасных радиоактивных отходов, а также проблема безопасности. Это показала катастрофа на Чернобыльской АЭС. При решении экологических проблем, связанных с использованием тепловых машин, важнейшую роль должны играть постоянная экономия всех видов энергии, переход на энергосберегающие технологии.

Защитная реакция природы

• Всякое загрязнение вызывает у природы защитную реакцию, направленную на его нейтрализацию. Эта способность природы долгое время эксплуатировалась человеком бездумно и хищнически. Отходы производства выбрасывались в воздух в расчете на то, что будут обезврежены и переработаны самой природой. Казалось, что как ни велика общая масса отходов, по сравнению с защитными ресурсами она незначительна. Однако процесс загрязнения резко прогрессирует, и становится очевидным, что природные системы самоочищения рано или поздно не смогут выдержать такой натиск, так как способность атмосферы к самоочищению имеет определенные границы.

Способы ликвидации вредных воздействий тепловых двигателей

• Использование экологически чистых источников энергии (ветряные и водяные мельницы)
• Техническое усовершенствование двигателей
• Создание объездных дорог
• Создание «зелёных» дорог
• Преумножать зелёный покров земли
• Не пользоваться личным транспортом без особой нужды
• Экономично использовать электроэнергию, воду
• Бережно относиться к зелёным насаждениям
• Собирать макулатуру в целях экономии леса, сдавать вторсырьё

Благодарим

за внимание!