Физическая основа и виды тепловых двигателей (стр. 8 из 10)
5.2 КПД двигателей внутреннего сгорания.
Присматриваясь к условиям, при которых производится работа в двигателе внутреннего сгорания, мы видим сходство с условиями, при которых производится работа в паровом двигателе. Здесь тоже имеется наличие разности температур: с одной стороны, источник тепла (в данном случае источником тепла является химическая реакция горения) создает высокую температуру рабочего вещества; с другой стороны, имеется громадный резервуар, в котором рассеивается получающаяся теплота,— атмосфера; она играет роль холодильника.
Так как температура газов, получающихся при сгорании смеси внутри цилиндра, довольно высока (свыше 1000 °С), то к. п. д. двигателей внутреннего сгорания может быть значительно выше к. п. д. паровых двигателей. На практике к. п. д. двигателей внутреннего сгорания равен обычно 20—30 %. Примерный энергетический баланс двигателя автомобильного типа показан на рисунке 18.
6. Тепловые двигатели и окружающая среда
Тепловые двигатели – необходимый атрибут современной цивилизации. С их помощью вырабатывается около 80% электроэнергии. Тепловые двигатели - паровые турбины - устанавливают также на всех АЭС для получения пара высокой температуры. На всех основных видах современного транспорта преимущественно используются тепловые двигатели: на автомобильном - поршневые двигатели внутреннего сгорания; на водном - ДВС и паровые турбины; на ж/д. тепловозы с дизельными установками; в авиации - поршневые, турбореактивные и реактивные двигатели. Без тепловых двигателей современная цивилизация немыслима. Мы не имели бы в изобилии дешевую электроэнергию и были бы лишены всех двигателей скоростного транспорта. В тоже время повсеместное использование тепловых двигателей связано с отрицательным воздействием на окружающую среду.
Главный пример тепловых двигателей – это автотранспорт. В наше время основная масса автотранспорта работает на тепловых двигателях.
По данным Государственного доклада “О состоянии окружающей природной среды Российской Федерации в 2000 году” транспортный комплекс страны является одним из самых крупных загрязнителей окружающей среды, что негативно отражается на качестве атмосферного воздуха, почв, поверхностных вод. Транспорт является источником шумовой и вибрационной нагрузки, воздействующей на здоровье населения. Около 35 млн. городского населения России проживает в условиях акустического дискомфорта, обусловленного шумовым воздействием автомобильного и железнодорожного транспорта.
По оценке природоохранных органов в среднем по стране вклад транспорта в загрязнение атмосферного воздуха составляет 40 – 45 %, а в крупных городах – до 90% и более. Повышенному риску для здоровья из-за загрязнения воздуха транспортными выбросами подвергается не менее 15 млн. горожан. Структура выбросов в атмосферный воздух от передвижных источников приведена в Приложении, таблица 1. Доля наиболее опасных для окружающей среды и здоровья населения органических соединений (CnHm) и соединений азота (NOx) составляет соответственно 10% и 13%. Величина ежегодного эколого-экономического ущерба от функционирования автомобильного комплекса Российской Федерации достигает 110 млрд. руб., наибольшая доля этого ущерба (до 60%) связана с легковыми автомобилями.
Рассмотрим более подробно, как именно влияют на состояние окружающей среды автомобили с дизельными и карбюраторными двигателями.
Основная причина загрязнения воздуха заключается в неполном и неравномерном сгорании топлива. Всего 15% его расходуется на движение автомобиля, а 85% «летит на ветер». К тому же камеры сгорания автомобильного двигателя – это своеобразный химический реактор, синтезирующий ядовитые вещества и выбрасывающий их в атмосферу. Даже невинный азот из атмосферы, попадая в камеру сгорания, превращается в ядовитые окислы азота.
В отработавших газах двигателя внутреннего сгорания (ДВС) содержится свыше 170 вредных компонентов, из них около 160 – производные углеводородов прямо обязаны своим появлением неполному сгоранию топлива в двигателе.
Отработавшие газы, продукты износа механических частей и покрышек автомобиля, а также дорожного покрытия составляет около половины атмосферных выбросов антропогенного происхождения. Наиболее исследованными являются выбросы двигателя и картера автомобиля. В состав этих выбросов, помимо азота, кислорода, углекислого газа и воды, входят такие вредные вещества, как окись углерода, углеводороды, окислы азота и серы, твердые частицы.
Состав отработавших газов зависит от рода применяемых топлива, присадок и масел, режимов работы двигателя, его технического состояния, условий движения автомобиля и др. Токсичность отработавших газов карбюраторных двигателей обусловливается главным образом содержанием окиси углерода и окислов азота, а дизельных – окислов азота и сажи (Приложение, таблица 2).
К числу вредных компонентов относятся и твердые выбросы, содержащие свинец и сажу, на поверхности которой адсорбируются циклические углеводороды (некоторые из них обладают канцерогенными свойствами). Закономерности распространения в окружающей среде твердых выбросов отличается от закономерностей, характерных для газообразных продуктов. Крупные фракции (диаметром более 1 мм), оседая поблизости от центра эмиссии на поверхности почвы и растений, в конечном счете накапливаются в верхнем слое почвы. Мелкие фракции (диаметром менее 1 мм) образуют аэрозоли и распространяются с воздушными массами на большие расстояния.
В таблице десяти основных загрязнителей воздушной среды, составленной Организацией Объединенных Наций, окись углерода, помеченная силуэтом автомобиля, стоит на втором месте.
В 1986 году Россия подписала Женевское соглашение о выполнении стандартов Единой экологической комиссии ООН по экологии автотранспорта. Поэтому уже сейчас необходимо выполнять ряд мероприятий для улучшения экологической обстановки.
Каждый из нас в ответе за чистоту на нашей планете. Каждый водитель должен знать неисправности двигателя, неотлаженность систем питания или зажигания, неправильный выбор скорости движения, резкие разгоны и торможения, работа двигателя на холостом ходу приводят к загрязнению атмосферы.
Двигаясь со скоростью 80 – 90 км/час в среднем автомобиль превращает в углекислоту столько же кислорода, сколько 300 – 350 человек. Но дело не только в углекислоте. Годовой выхлоп одного автомобиля – это 800 кг окиси углерода, 40 кг окислов азота и более 200 кг различных углеводородов. В этом наборе весьма коварна окись углерода. Из-за высокой токсичности ее допустимая концентрация в атмосферном воздухе не должна превышать 1 мг/м3. Известны случаи трагической гибели людей, запускавших двигатели автомобилей при закрытых воротах гаража.
Окислы азота токсичны для человека и, кроме того, обладают раздражающим действием. Особо опасной составляющей отработанных газов являются канцерогенные углеводороды, обнаруживаемые, прежде всего на перекрестках у светофоров.
При использовании этилированного бензина автомобильный двигатель выбрасывает соединения свинца. Свинец опасен тем, что способен накапливаться как во внешней среде, так и в организме человека.
На скорость распространения загрязнения и концентрацию его в отдельных зонах города значительно влияют температурные инверсии. Инверсионный слой выполняет роль экрана, от которого на землю отражается факел вредных веществ, в результате чего их приземные концентрации возрастают в несколько раз.
Из соединений металлов, входящих в состав твердых выбросов автомобилей, наиболее изученными являются соединения свинца. Это обусловлено тем, что соединения свинца, поступая в организм человека и теплокровных животных с водой, воздухом и пищей, оказывает на него наиболее вредное действие. До 50% дневного поступления свинца в организм приходится на воздух, в котором значительную долю составляют отработавшие газы автомобилей.
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. Одно из направлений, связанное с охраной окружающей среды, это увеличение эффективности использования энергии, борьба за её экономию.
Экологизация [2] транспорта может состоять из организационно-планировочного и технологического направления.
Организационно-планировочное направление. Суть данного направления по оздоровлению среды жизнедеятельности человека состоит в следующем. В процессе планирования и застройки урбанизированных территорий целесообразно располагать места концентрации и хранения автотранспорта (гаражи, стоянки, места парковок, автохозяйства и т.д.) на экологически безопасном расстоянии от жилых и общественных зданий ( Приложение, таблица 3)
В микрорайонах больших и крупных городов с успехом развивается гаражное строительство в подземном и полуподземном вариантах. Объекты социальной инфраструктуры в данном случае желательно размещать не ближе чем в радиусе 15 км от вытяжной вентиляционной шахты (трубы) гаража.
Полосы зеленых насаждений могут довольно эффективно снижать уровень загрязнения атмосферного воздуха при воздействии выхлопных газов от автотранспорта, при этом варьируются ряды деревьев, кустарников и ширина полос.