Тепловые двигатели виды: Виды тепловых двигателей — Motoran.ru

Содержание

Виды тепловых двигателей

Виды тепловых двигателей

Теловой двигатель

Ежедневно мы имеем дело с двигателями, приводящими в движение автомобили, корабли, производственную технику, железнодорожные локомотивы и самолеты. Именно появление и широкое использование тепловых машин быстро продвинуло вперед промышленность.

· Тепловой двигатель – тепловая машина, превращающая тепло в механическую энергию, использует теплового решения вещества от температуры. Обычно работа совершается за счет изменения объёма вещества, но иногда используется изменение формы рабочего тела (в твёрдотельных двигателях).

Действие теплового двигателя подчиняется законам термодинамики. Для работы необходимо создать разность давления по обе стороны поршня двигателя или лопастей турбины. Для работы двигателя обязательно наличие разницы температур, производится нагревание рабочего тела (газа), который совершает работу за счёт изменения своей внутренней энергии. Повышение и понижение температуры осуществляется, соответственно, нагревателем (например, при сжигании топлива) и охладителем, в роли которой используется окружающая среда.

Миллионы автомобилей на двигателях внутреннего сгорания занимаются перевозом пассажиров и грузов. По железным дорогам ходят мощные тепловозы, по водным траекториям – теплоходы. Самолеты и вертолеты снабжены поршневыми, турбореактивными и турбовинтовыми двигателями. Ракетные двигатели «толкают» в космическое пространство станции, корабли и спутники Земли. Двигатели внутреннего сгорания в сельском хозяйстве устанавливают на комбайнах, насосных станциях, тракторах и прочих объектах.

Применение теплового двигателя

1. Наибольшее значение имеет использование тепловых двигателей (в основном мощных паровых турбин) на тепловых электростанциях, где они приводят в движение роторы генераторов электрического тока. Около 80% всей электроэнергии в нашей стране вырабатывается на тепловых электростанциях.

2. Тепловые двигатели (паровые турбины) устанавливают также на атомных электростанциях. На этих станциях для получения пара высокой температуры используется энергия атомных ядер.

3. На всех основных видах современного транспорта преимущественно используются тепловые двигатели. На автомобилях применяют поршневые двигатели внутреннего сгорания с внешним образованием горючей смеси (карбюраторные двигатели) и двигатели с образованием горючей смеси непосредственно внутри цилиндров (дизели). Эти же двигатели устанавливаются на тракторах.

4. На железнодорожном транспорте до середины XX в. основным двигателем была паровая машина. Теперь же главным образом используют тепловозы с дизельными установками и электровозы. Но и электровозы получают энергию от тепловых двигателей электростанций.

5. На водном транспорте используются как двигатели внутреннего сгорания, так и мощные турбины для крупных судов.

6. В авиации на легких самолетах устанавливают поршневые двигатели, а на огромных лайнерах — турбовинтовые и реактивные двигатели, которые также относятся к тепловым двигателям. Реактивные двигатели применяются и на космических ракетах.

7. Без тепловых двигателей современная цивилизация немыслима. Мы не имели бы дешевую электроэнергию и были бы лишены всех видов современного скоростного транспорта

Виды тепловых двигателей

1. Двигатель Стирлинга – тепловая машина, в которой рабочее тело, в виде газа или жидкости, движется в замкнутом объёме, разновидность двигателя внешнего сгорания. Основан на периодическом нагреве и охлаждении рабочей площадки с извлечением энергии из возникающего при этом изменения объёма рабочего тела. Может работать не только от сжигания топлива, но и от любого источника тепла.

Двигатель Стирлинга был впервые запатентован шотландским священником Робертом Стирлингом 27 сентября 1816 года.

В современной научной литература этот узел называется «регенератором»

Он увеличивает производительность двигателя, удерживая тепло в тёплой части двигателя, в то время как рабочее тело охлаждается. Этот процесс намного повышает эффективность системы. Чаще всего регенератор представляет собой камеру, заполненную проволокой, гранулами, гофрированной фольгой (гофры идут вдоль направления потока газа).

Газ, проходя через наполнитель в одну сторону, отдаёт тепло регенератору, а при движении в другую сторону отбирает его. Регенератор может быть внешним по отношению к цилиндрам, а может быть размещён на поршне-вытеснителе в β- и γ-конфигурациях. В последнем случае размеры и вес машины оказываются меньше.

Частично роль регенератора выполняет зазор между вытеснителем и стенками цилиндра (при длинном цилиндре надобность в таком устройстве вообще исчезает, но появляются значительные потери из-за вязкости газа). В α-стирлинге регенератор может быть только внешним. Он устанавливается последовательно с теплообменником, в котором происходит нагрев рабочего тела, со стороны холодного поршня.

2. Паровая машина – тепловой двигатель внешнего сгорания, преобразующий энергию водяного пара в механическую работу возвратно – поступательного движения поршня, а затем во вращательное движение вала. В более широком смысле паровая машина — любой двигатель внешнего сгорания, который преобразует энергию пара в механическую работу.

Первая паровая машина построена в XVII в. Папеном и представляла цилиндр с поршнем, который поднимался действием пара, а опускался давлением атмосферы после сгущения отработавшего пара. На этом же принципе были построены в 1705 году вакуумные паровые машины Севери и Ньюкомена для выкачивания воды из копей. Значительные усовершенствования в вакуумной паровой машине были сделаны Джеймсом Уаттом в 1769 году. Дальнейшее значительное усовершенствование парового двигателя (применение на рабочем ходу пара высокого давления вместо вакуума) было сделано американцем Оливер Эвансом в 1769 году и англичанином Ричардом Тревитиком в 1800 году.

3. Поршневой двигатель –двигатель внутреннего сгорания, в котором тепловая энергия расширяющихся газов, образовавшаяся в результате сгорания топлива в замкнутом объёме, преобразуется в механическую работу поступательного движения поршня за счёт расширения рабочего тела (газообразных продуктов сгорания топлива) в цилиндре, в который вставлен поршень. Поступательное движение поршня преобразуется во вращение коленчатого вала кривошипно-шатунным механизмом.

Поршневой двигатель внутреннего сгорания сегодня является самым распространённым тепловым двигателем. Он используется для привода средств наземного, воздушного и водного транспорта, боевой, сельскохозяйственной и строительной техники, электрогенераторов, компрессоров, водяных насосов, помп, моторизованного инструмента (бензорезок (бензо-болгарок), газонокосилок, бензопил) и прочих машин, как мобильных, так и стационарных, и производится в мире ежегодно в количестве нескольких десятков миллионов изделий.

Полный цикл работы двигателя складывается из последовательности тактов — однонаправленных поступательных ходов поршня. Различают двухтактные и четырехтактные двигатели.

4. Роторный (турбинный) двигатель внешнего сгорания – примером такого устройства является тепловая электрическая станция в базовом режиме. Таким образом, колёса локомотива (электровоза) также, как и в 19 веке, вращает энергия пара. Но тут есть два существенных отличия.

Первое отличие заключается в том, что паровоз 19 века работал на качественном дорогом топливе, например на антраците. Современные же паротурбинные установки работают на дешевом топливе, например на канско – ачинском угле, который добывается открытым способом шагающими экскаваторами. Но в подобном топливе много пустого балласта, который транспорту приходится возить с собой вместо полезного груза. Электровозу не надо возить не только балласт, но и топливо вообще.

Второе отличие заключается в том, что тепловая электрическая станция работает по циклу Ренкина, который близок к циклу Карно. Цикл Карно состоит из двух адиабат и двух изотерм. Цикл Ренкина состоит из двух адиабат, изотермы и изобары с регенерацией тепла, которая приближает этот цикл к идеальному циклу Карно. На транспорте трудно сделать такой идеальный цикл, так как у транспортного средства есть ограничения по массе и габаритам, которые практически отсутствуют у стационарной установки.

5. Роторный (турбинный) двигатель внутреннего сгорания –примером такого устройства является тепловая электрическая станция в пиковом режиме. Порой в качестве газотурбинной установки используют списанные по технике безопасности воздушно – реактивные двигатели.

6. Реактивные и ракетные двигатели –представляет собой совмещенный тепловой двигатель и движетель, в нём внутренняя энергия топлива преобразуется в кинетическую энергию реактивной струи разогретого рабочего тела. Реактивные двигатели отбрасывают нагретое рабочее тело с большой скоростью, за счет его проистечения, в соответствии с законом сохранения импульса, образуется реактивная сила, толкающая двигатель в противоположном направлении. В тепловых реактивных двигателях обычно используется химическое топливо в газообразном, жидком или твердом состоянии, порождающее разогретый газ при сгорании.

Воздушно – реактивные двигатели используют газообразный окислитель из окружающей среды, тогда как ракетные двигатели снабжаются запасами всех компонентов рабочего тела с носителя и способны работать в любой среде, в том числе и в безвоздушном пространстве. Используются для приведения в движение самолётов, ракет и космических аппаратов

7. Твердотельные двигатели –такие двигатели используют твёрдый материал (вещество в твёрдой фазе) в качестве рабочего тела. Работа совершается при изменении формы рабочего тела. Позволяют использовать малые перепады температур.

Какие бывают тепловые двигатели?

Тепловые двигатели – это машины, которые производят механическую работу благодаря обмену тепла с другими внешними телами. Нагревание происходит обычно благодаря тому, что сгорает топливо, в результате чего получается достаточная температура на нагревательном элементе. В данном случае работа осуществляется благодаря использованию энергии смеси кислорода и топлива. Есть различные виды тепловых двигателей, работа которых основана на нагреве с помощью Солнца, разницы в температурах воды. Однако такие машины не получили достаточного распространения и значения. В эксплуатации сейчас часто можно обнаружить двигатели, использующие выделяющуюся тепловую энергию расщепления атомных ядер в реакторе.

Паросиловые станции

Поршневые паровые (тепловые) двигатели были созданы в конце девятнадцатого века. Через сто лет появились и первые паровые турбины. Как говорит само название, принцип работы основан на паре, обычно водяном, но есть возможность применять даже пары ртути. Турбины на пару устанавливаются на мощных электростанциях и крупных кораблях. Поршневой двигатель же нашел применение разве что в водном транспорте (пароходы и паровозы) и на железной дороге. Для успешной работы самого двигателя на пару необходимы некоторые вспомогательные устройства и машины, что в совокупности составляет паросиловую станцию, в которой циркулируют всегда одни и те же водные потоки. Они трансформируются в специальных котлах в пар, а затем уже пар производит необходимую работу в поршневой машине (или в турбине). Следующим этапом является превращение пара в охлаждаемом барабане в воду (конденсатор). Из него образовавшаяся вода через насос и сборный бак направляется опять в котел, замыкая круговорот водного потока. Обычно котел именуют термином «нагреватель», а конденсатор называют холодильником. Благодаря тому, что внутри установки циркулирует один и тот же поток воды, накипь практически не образуется.

Паровые котлы

Тепловые двигатели на пару (котлы) состоят из непосредственно котла и топки, в которой на колосниковых решеточках сжигается уголь (или, в некоторых, случаях дрова). Применять жидкое топливо можно с помощью его распыления паром в форсунках. Сжатый воздух, который вырывается из узкой трубки, всасывает жидкое топливо, а затем разбрызгивает его в необходимом направлении. Котел состоит из трубок и барабана. Через стены труб передается теплота от топочного газа воде. Изредка вода может находиться снаружи по отношению к трубам, а под ним – одни топочные газы, иногда – наоборот, то есть вода – внутри трубок, а горячий газ их омывает. В таких тепловых двигателях, как паровые котлы, пар перегревается в так называемых змеевиках, при этом он трансформируется в ненасыщенный из насыщенного. Таким образом, уменьшается конденсация паров на стенках турбины и паропроводов, а значит, повышается коэффициент полезного действия самой станции. На котел устанавливают манометр, с помощью которого осуществляется наблюдение за уровнем давления пара. Необходим и специальный клапан, который выпустит нужный объем пара в том случае, когда давление превысит предельную величину. На дне барабана есть приспособления для диагностики уровня воды.

Паровые турбины

Турбины состоят из стальных цилиндров, внутри них расположен вал, а на нем закреплены рабочие колеса, между которыми помещены направляющие лопаты или сопла. Пар, который вырывается между этими лопатками, попадает на лопатки у рабочего колеса, которое вращается и выполняет работу. Причина вращения самого колеса – реакция струи пара. В турбине потоки пара расширяются и охлаждаются, так как входят в нее по очень узким пароходам, а выходят – в широких трубах.

Двигатели внутреннего сгорания

Крайне распространенные тепловые двигатели работают на системе внутреннего сгорания и устанавливаются в танках, самолетах, автомобилях, тракторах и так далее. Работать они могут на разном топливе: керосин, бензин, сжатый горючий газ. Основная часть двигателя такого типа – это набор цилиндров. Внутри них и происходит сжигание какого-либо топлива. В цилиндре двигается поршень, который являет собой полый и закрытый только с одной стороны цилиндр. Поршень опоясан пружинами в виде колец. Их назначение – не пропустить газ, образованный во время сгорания топлива, в промежутки между самим поршнем и стенами цилиндра. Верхние части цилиндров связаны с закрытыми через клапаны каналы. Через них впускаются горячие смеси, а также выбрасываются отходы сгорания. Кроме этих клапанов сверху помещена свеча. Она является приспособлением, с помощью которого производится зажигание горючей смеси через полученную от электрических приборов (бобины или магнето) искры.

Карбюратор

Важная часть тепловых двигателей, которые работают на принципе внутреннего сгорания, – это карбюратор. Если впускной клапан в цилиндре открыт, то поршень двигается к валу, и воздух входит через отверстие. Воздушные массы проходят мимо трубки, соединенной с камерой, в которой находится бензин. Воздух с большой скоростью проходит возле конца трубки, всасывает бензин, а затем его распыляет. То есть образовывается горючая смесь, которая состоит из паров бензина и воздуха. Приток этой смеси в цилиндр ограничен дроссельными заслонками.

Такты работы двигателя

Есть всего четыре основных такта работы машины внутреннего сгорания:

  1. Всасывание. Во время первого такта открывается клапан, поршень засасывает горючую смесь в цилиндр из карбюратора.
  2. Сжатие. Во втором такте клапан впускной закрывается, а поршень двигается вверх и сжимает смесь, нагревая ее таким образом.
  3. Сгорание. После того как поршень достигнет положения вверху, смесь зажигается при помощи получаемой от свечи электрической искры. Сила давления раскаленного газа выталкивает поршень вниз. Это движение передается валу, и совершается работа.
  4. Выпуск (он же выхлоп). Открывается клапан выпускной, и все отработанные продукты сгорания выбрасывается в атмосферу через глушитель.

Из всех четырех тактов (во время которых происходит только два оборота вала) лишь третий – рабочий. Именно поэтому одноцилиндровый тепловой двигатель снабжают маховиком, который раскручивается и вращается во время всех других таков. Одноцилиндровый двигатель устанавливают разве что на мотоциклы. На автомобилях ставят более четырех цилиндров. При этом их устанавливают таким образом, чтобы хотя бы один из цилиндров был в работе на каждый такт. Для старта двигателя используют электромотор, который питается от стартера (аккумулятора).

Дизельные двигатели

В дизельной машине сжимается не смесь, а просто воздух, причем сжатие происходит многократное, а воздух нагревается до сотен градусов Цельсия. После завершения процесса сжатия в цилиндр вбрызгивают уже и жидкое топливо с помощью форсунки, которая работает от нагнетаемого компрессорами сжатого воздуха. Разбрызганная нефть зажигается благодаря высоким температурам. В это время происходит полезная работа, а затем – выброс отработанного газа. Дизели применяют в тепловозах, грузовиках, тракторах.

Реактивный двигатель

Такие тепловые машины по существу являются двигателями внутреннего сгорания, однако в них применяют так называемую реактивную струю. Сам двигатель находится в цилиндрическом корпусе. В переднее его отверстие входит воздух. Затем в компрессоре воздушный поток проходит вдоль оси самого двигателя. После компрессии поток попадает в камеру с горючим, где и образовывается горючая смесь, которая загорается. Таким образом, получаются высокотемпературные газы, которые движутся затем к выходным соплам, приводя в движение газовую турбину. Данные газы имеют невероятную скорость.

Виды тепловых двигателей

К тепловым двигателям относятся: паровая машина, двигатель внутреннего сгорания, паровая и газовая турбины, реактивный двигатель. Их топливом является твёрдое и жидкое топливо, солнечная и атомная энергии.

Паровая машина — тепловой двигатель внешнего сгорания, преобразующий энергию нагретого пара в механическую работу возвратно-поступательного движения поршня, а затем во вращательное движение вала. В более широком смысле паровая машина — любой двигатель внешнего сгорания, который преобразовывает энергию пара в механическую работу. Для привода паровой машины необходим паровой котёл. Расширяющийся пар давит на поршень или на лопатки паровой турбины, движение которых передаётся другим механическим частям. Одно из преимуществ двигателей внешнего сгорания в том, что из-за отделения котла от паровой машины они могут использовать практически любой вид топлива — от дров до урана. Основным преимуществом паровых машин является то, что они могут использовать практически любые источники тепла для преобразования его в механическую работу. Это отличает их от двигателей внутреннего сгорания, каждый тип которых требует использования определённого вида топлива. Наиболее заметно это преимущество при использовании ядерной энергии, поскольку ядерный реактор не в состоянии генерировать механическую энергию, а производит только тепло, которое используется для выработки пара, приводящего в движение паровые машины (обычно паровые турбины). Кроме того, есть и другие источники тепла, которые не могут быть использованы в двигателях внутреннего сгорания, например, солнечная энергия. Интересным направлением является использование энергии разности температур Мирового Океана на разных глубинах. Подобными свойствами также обладают другие типы двигателей внешнего сгорания, такие как двигатель Стирлинга, которые могут обеспечить весьма высокую эффективность, но имеют существенно большие вес и размеры, чем современные типы паровых двигателей.

Двигатель внутреннего сгорания (сокращённо ДВС) — это тип двигателя, тепловая машина, в которой химическая энергия топлива (обычно применяется жидкое или газообразное углеводородное топливо), сгорающего в рабочей зоне, преобразуется в механическую работу. Несмотря на то, что ДВС являются относительно несовершенным типом тепловых машин (сильный шум, токсичные выбросы, меньший ресурс), благодаря своей автономности (необходимое топливо содержит гораздо больше энергии, чем лучшие электрические аккумуляторы) ДВС очень широко распространены, например на транспорте.

Газовая турбина (фр. turbine от лат. turbo вихрь, вращение) — это тепловой двигатель непрерывного действия, в лопаточном аппарате которого энергия сжатого и нагретого газа преобразуется в механическую работу на валу. Состоит из компрессора, соединённого напрямую с турбиной, и камерой сгорания между ними. (Термин Газовая турбина может также относится к самому элементу турбина.)Сжатый атмосферный воздух из компрессора поступает в камеру сгорания, где смешивается с топливом и происходит возгорание смеси. В результате сгорания возрастает температура, скорость и объём потока газа. Далее энергия горячего газа преобразуется в работу. При входе в сопловую часть турбины горячие газы расширяются, и их тепловая энергия преобразуется в кинетическую. Затем, в роторной части турбины, кинетическая энергия газов заставляет вращаться ротор турбины. Часть мощности турбины расходуется на работу компрессора, а оставшаяся часть является полезной выходной мощностью. Газотурбинный двигатель приводит во вращение находящийся с ним на одном валу высокоскоростной генератор. Работа, потребляемая этим агрегатом, является полезной работой ГТД. Энергия турбины используется в самолётах, поездах, кораблях и танках.

Преимущества газотурбинных двигателей

  • · Очень высокое отношение мощности к весу, по сравнению с поршневым двигателем;
  • · Высокий КПД на максимальных оборотах, чем у поршневых двигателей.
  • · Перемещение только в одном направлении, с намного меньшей вибрацией, чем у поршневого двигателя.
  • · Меньшее количество движущихся частей, чем у поршневого двигателя.
  • · Низкие эксплуатационные нагрузки.
  • · Высокая скорость вращения.
  • · Низкая стоимость и потребление смазочного масла.

Недостатки газотурбинных двигателей

  • · Стоимость намного больше, чем у аналогичных по размерам поршневых двигателей, поскольку материалы должны быть более крепкие и жаропрочные.
  • · Машинные операции также более сложные;
  • · Как правило, имеют меньший КПД, чем поршневые двигатели, на холостом ходу.
  • · Задержка отклика на изменения настроек мощности.

Эти недостатки объясняют, почему дорожные транспортные средства, которые меньше, дешевле и требуют менее регулярного обслуживания, чем танки, вертолеты, крупные катера и так далее, не используют газотурбинные двигатели, несмотря на неоспоримые преимущества в размере и мощности.

Паровая турбина представляет собой серию вращающихся дисков, закрепленных на единой оси, называемых ротором турбины, и серию чередующихся с ними неподвижных дисков, закрепленных на основании, называемых статором. Диски ротора имеют лопатки на внешней стороне, пар подается на эти лопатки и крутит диски. Диски статора имеют аналогичные лопатки, установленные под противоположным углом, которые служат для перенаправления потока пара на следующие за ними диски ротора. Каждый диск ротора и соответствующий ему диск статора называются ступенью турбины. Количество и размер ступеней каждой турбины подбираются таким образом, чтобы максимально использовать полезную энергию пара той скорости и давления, который в нее подается. Выходящий из турбины отработанный пар поступает в конденсатор. Турбины вращаются с очень высокой скоростью, и поэтому при передаче вращения на другое оборудование обычно используются специальные понижающие трансмиссии. Кроме того, турбины не могут изменять направление своего вращения, и часто требуют дополнительных механизмов реверса (иногда используются дополнительные ступени обратного вращения). Турбины превращают энергию пара непосредственно во вращение и не требуют дополнительных механизмов преобразования возвратно-поступательного движения во вращение. Кроме того, турбины компактнее возвратно-поступательных машин и имеют постоянное усилие на выходном валу. Поскольку турбины имеют более простую конструкцию, они, как правило, требуют меньшего обслуживания. Основной сферой применения паровых турбин является выработка электроэнергии (около 86% мирового производства электроэнергии производится паровыми турбинами), кроме того, они часто используются в качестве судовых двигателей (в том числе на атомных кораблях и подводных лодках). Было также построено некоторое количество паротурбовозов, но они не получили широкого распространения и были быстро вытеснены тепловозами и электровозами.

Реактивный двигатель — двигатель, создающий необходимую для движения силу тяги посредством преобразования исходной энергии в кинетическую энергию реактивной струи рабочего тела. Рабочее тело с большой скоростью истекает из двигателя, и в соответствии с законом сохранения импульса образуется реактивная сила, толкающая двигатель в противоположном направлении. Для разгона рабочего тела может использоваться как расширение газа, нагретого тем или иным способом до высокой температуры (т.н. тепловые реактивные двигатели), так и другие физические принципы, например, ускорение заряженных частиц в электростатическом поле. Реактивный двигатель сочетает в себе собственно двигатель с движителем, то есть, он создаёт тяговое усилие только за счёт взаимодействия с рабочим телом, без опоры или контакта с другими телами. По этой причине чаще всего он используется для приведения в движение самолётов, ракет и космических аппаратов.

Существует два основных класса реактивных двигателей:

  • · Воздушно-реактивные двигатели — тепловые двигатели, которые используют энергию окисления горючего кислородом воздуха, забираемого из атмосферы. Рабочее тело этих двигателей представляет собой смесь продуктов горения с остальными компонентами забранного воздуха.
  • · Ракетные двигатели — содержат все компоненты рабочего тела на борту и способны работать в любой среде, в том числе и в безвоздушном пространстве.

Основным техническим параметром, характеризующим реактивный двигатель, является тяга (иначе — сила тяги) — усилие, которое развивает двигатель в направлении движения аппарата.

Ракетные двигатели помимо тяги характеризуются удельным импульсом, являющимся показателем степени совершенства или качества двигателя. Этот показатель является также мерой экономичности двигателя. В приведённой ниже диаграмме в графической форме представлены верхние значения этого показателя для разных типов реактивных двигателей, в зависимости от скорости полёта, выраженной в форме числа Маха, что позволяет видеть область применимости каждого типа двигателей.

Виды тепловых двигателей

Тепловыми двигателями считают машины, которые совершают работу за счет получаемой теплоты.

К часто используемым тепловым двигателям отнесем:

  • паросиловые станции, паровые поршневые двигатели;
  • двигатели внутреннего сгорания, например, бензиновые двигатели, дизельные двигатели, реактивные двигатели.

Принципы работы тепловых двигателей

Тепловой двигатель преобразовывает теплоту в механическую работу. В тепловом двигателе нагреваемый пар расширяясь, давит на поршень и производит работу.

Тепловой двигатель состоит из:

  • нагревателя;
  • холодильника;
  • рабочего тела, пара или газа, находящегося в емкости с поршнем, который может расширяться и сжиматься.

При конструировании теплового двигателя задача заключается в том, чтобы создать такие условия, при которых газ будет попеременно соприкасаться с нагревателем и холодильником.

  1. Контактируя с нагревателем, рабочее тело нагревается, расширяется и совершает работу.
  2. Соприкасаясь с холодильником газ сжимается, поршень уходит в первоначальное положения, работа совершается над рабочим телом.
  3. Цикл может начинаться сначала.

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

Одной из первых машин, в которой человек использовал солнечную энергию, была ветряная мельница. В такой мельнице вращение крыльев при дуновении ветра приводит в действие вал, который совершает работу. Для появления ветра нужно, чтобы имелась разность давлений, которая появляется в результате температурной разницы в частях атмосферы. Ветер – это конвекционное перемещение атмосферы, вызванное ее неравномерным нагревом.

Так, энергия Солнца использовалась для получения работы в ветряном двигателе.

Периодически повторяющееся выполнение работы в результате охлаждения тел возможно, если тепловая машина не только получает теплоту от нагревателя, но и часть ее передает холодильнику (телу с более низкой температурой). На выполнение работы уходит только часть теплоты нагревателя, остальная теплота переходит к холодильнику.

Тепловым двигателем называют машину, которая производит механическую работу за счет обмена теплотой с окружающими телами.

Задай вопрос специалистам и получи
ответ уже через 15 минут!

Большая часть тепловых двигателей нагревание происходит за счет сгорания топлива, в результате этого процесса нагреватель обладает достаточно высокой температурой. При этом работа выполняется за счет внутренней энергии смеси топлива и кислорода из атмосферы.

Имеются тепловые двигатели, в которых нагревание выполняет Солнце. Проектируются машины, применяющие разницу температур воды в море.

Существуют и работают тепловые машины, которые используют теплоту, выделяемую в ядерном реакторе, при расщеплении и преобразовании ядер атомов.

Паровая машина

Первыми были сконструированы паровые поршневые двигатели (или паровые машины). Позднее на их основе были созданы паровые турбины.

Рабочим телом в этих двигателях обычно является водяной пар (возможны пары других веществ). Поршневые двигатели сейчас применяют редко, на железнодорожном и водном транспорте.

Паровые турбины используются на больших электростанциях и кораблях.

Паровой двигатель кроме основных элементов теплового двигателя имеет несколько вспомогательных устройств. Вся совокупность компонент парового двигателя называется паросиловой станцией. В паровом двигателе осуществляет циркуляцию вода. Она становится паром в котле, выполняет работу в турбине, снова становится водой в барабане. Затем она отправляется при помощи насоса через сборный бак в котел. Оборот воды в паросиловой станции изображен на схеме рис.1

Рисунок 1. Паровой двигатель. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

В схеме, изображенной на рис.1 нагреватель – это котел, а холодильник – конденсатор, который охлаждается проточной водой. Поскольку в установке циркулирует одна и также вода, то накипи практически не образуется. Накипь влияет на КПД котла, уменьшая его.

Паровой котел – это топка и собственно котел. Топливо сжигают в топке. Сам котел составлен из барабана и труб, которые через свои стенки передают теплоту газов, нагретых при сгорании топлива, воде. Вода нагревается и превращается в пар. Энергия топочных газов не полностью передается воле, ее часть рассеивается. Потери энергии происходят и при неполном сгорании топлива.

Далее по паропроводу пар попадет в турбину. Турбина – это стальной цилиндр с валом внутри него. На валу укреплены рабочие колеса с изогнутыми лопатками. Между рабочими колесами имеются направляющие лопатки. Пар заставляет рабочее колесо вращаться, попадая на рабочие лопатки. В турбине пар увеличивает свой объем, при этом его температура уменьшается.

Турбина способна совершать вращение только в одном направлении, скорость ее вращение изменяется не очень сильно. Это удобно для вращения электрогенераторов.

КПД паросиловой станции может достигать 27%. Часть потерь энергии вызвана несовершенством конструкции и потерями, которые происходят при охлаждении пара водой в конденсаторе.

Теория дает следующий вывод, что КПД тепловой машины не может быть больше, чем:

где $T_1$ – температура нагревателя; $T_2$ – температура холодильника.

Двигатель внутреннего сгорания

Сжигание топлива можно производить вне цилиндра, в котором происходит расширение рабочего тела (газа), такой двигатель называют двигателем внешнего сгорания. Примером двигателей внешнего сгорания могут быть:

Двигатели, у которых сжигание топлива происходит внутри камеры сгорания, называют двигателями внутреннего сгорания. Примерами двигателей внутреннего сгорания могут быть:

  • бензиновый двигатель;
  • дизель;
  • реактивный двигатель.

Двигатель внутреннего сгорания в настоящее время является самым распространенным тепловым двигателем. Он работает:

  • на автомобильном транспорте,
  • самолетах,
  • моторных лодках,
  • танках и т. д.

Топливом для двигателей внутреннего сгорания может служить:

  • жидкое топливо, такое как бензин, керосин;
  • газ.

Рассмотрим четырехтактный бензиновый двигатель внутреннего сгорания.

Основная часть этого двигателя – один или несколько цилиндров, где сжигается топливо. Во внутренности цилиндра движется поршень. Поршень имеет вид полого цилиндра, закрытого с одной стороны. Этот цилиндр опоясан пружинными кольцами, которые вложены в канавки на поршне. Данные кольца должны не пропускать газы, которые появляются как результат сжигания топлива, в отсек между поршнем и стенками цилиндра.

Поршень имеет стержень из металла (палец), который соединяет поршень с шатуном. Шатун передает движение от поршня к коленчатому валу.

В работе данного двигателя выделяют четыре этапа:

  1. Всасывание горючей смеси в цилиндр из карбюратора.
  2. Сжатие горючей смеси. При этом впускной клапан закрывается, поршень двигается сжимает смесь. Смесь повышает свою температуру.
  3. Сгорание смеси. При достижении некоторого положения поршнем смесь загорается от электрической искры, которую дает свеча. Давление газов заставляет поршень двигаться вниз. Поршень передает свое движение коленчатому валу, так совершается работа. Выполняя работу и увеличивая свой объем продукты сгорания уменьшают свою температуру, давление уменьшается. По окончании рабочего хода давление в цилиндре становится равным атмосферному.
  4. Выхлоп отработанных продуктов горения. При этом открывается выпускной клапан, продукты горения через глушитель попадают в атмосферу.

Температура газов, которые получаются в двигателе внутреннего сгорания довольно большая (более 1000 градусов Цельсия), следовательно, они должны давать КПД выше, чем у паровых двигателей. В реальной действительности КПД двигателя внутреннего сгорания составляет 20-30%. Энергия сгорания топлива в нем расходуется так:

  • 40% идет на охлаждение цилиндра с водой;
  • 25% уносят отработанные газы;
  • 10% забирает трение;
  • 25% полезная работа.

Существуют не только четырехтактные, но и двухтактные двигатели внутреннего сгорания.

К преимуществам двигателя внутреннего сгорания относят:

Недостатками таких двигателей являются:

  • потребности в топливе высокого качества;
  • отсутствие возможности получения с его помощью малой частоты вращения.

Так и не нашли ответ
на свой вопрос?

Просто напиши с чем тебе
нужна помощь

Виды тепловых двигателей

Автор: Пользователь скрыл имя, 07 Декабря 2010 в 18:28, реферат

Описание работы

Тепловые двигатели – машины, в которых внутренняя энергия топлива превращается в механическую энергию.
Виды двигателей:
-паровая машина,
-двигатель внутреннего сгорания,
-паровая и газовая турбины,
-реактивный двигатель.

Работа содержит 1 файл

РЕФЕИРАТ.doc

Фгоу спо ленинградский технический колледж

Виды тепловых двигателей>

Подготовил: уч-ся группы 1м

Виды тепловых двигателей.

Тепловые двигатели – машины, в которых внутренняя энергия топлива

превращается в механическую энергию.

-двигатель внутреннего сгорания,

-паровая и газовая турбины,

ПАРОВАЯ МАШИНА ПОЛЗУНКОВА

Первый универсальный тепловой двигатель был создан в России выдающимся изобретателем, механиком Воскресенских заводов на Алтае И. И. Ползуновым. Кроме того, Ползунов внес серьезные усовершенствования в конструкцию рабочих органов двигателя, применил оригинальную систему паро- и водораспределения, и в отличие от машин Ньюкомена ось вала его машины была параллельна плоскости цилиндров. Проект своей машины Ползунов изложил в 1763 г. в записке, адресованной начальнику Колывано-Воскресенского горного округа А. И. Порошину. Свою машину И. И. Ползунов начал строить в 1764 г. К нему прикомандировали четырех учеников, которых он должен был обучить не только теории, но и ремеслам. Машина была изготовлена в декабре 1765 г. А в мае 1766 г. ее создатель умер от чахотки. Машина была испытана уже после его смерти в октябре 1766 г. и работала, в общем, удовлетворительно. Как всякий первый образец, она нуждалась в доработке, к тому же в ноябре обнаружилась течь котла. Но изобретателя не было в живых, а без него устранением недостатков никто не занимался. Машина бездействовала до 1779 г., а затем была разобрана.

ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Один из самых распространенных тепловых двигателей существующий в двух вариантах: в виде бензинового ДВС и дизеля. Сегодня проектируются ДВС, в которых в качестве горючего будет использоваться водород. 1876 год – Николаус Отто. Основная часть ДВС – один или несколько цилиндров, внутри которых происходит сжигание топлива. Отсюда, и название двигателя. Наибольшее распространение в технике получил четырехтактный ДВС. 1-ый такт – впуск (всасывание) . Поршень, двигаясь вниз, засасывает в цилиндр горючую смесь. 2-ой такт сжатие. Впускной клапан закрывается. Поршень, двигаясь вверх, сжимает горючую смесь. 3-ий такт рабочий ход. Смесь поджигается электрической искрой свечи. Сила давления газов (раскаленных продуктов сгорания) толкает поршень вниз. Движение поршня передается коленчатому валу, вал поворачивается, и тем самым совершается полезная работа. 4-ый такт выпуск (выхлоп). Открывается выпускной клапан, отработанные продукты сгорания выбрасываются через глушитель в атмосферу.Из четырех тактов только один – третий – является рабочим. Поэтому двигатель снабжают маховиком (инерционным двигателем, запасающим энергию).

, двигатель, создающий необходимую для движения силу тяги путём преобразования исходной энергии в кинетическую энергию реактивной струи рабочего тела; в результате истечения рабочего тела из сопла двигателя образуется реактивная сила в виде реакции (отдачи) струи, перемещающая в пространстве двигатель и конструктивно связанный с ним аппарат в сторону, противоположную истечению струи. В кинетическую (скоростную) энергию реактивной струи в Р. д. могут преобразовываться различные виды энергии (химическая, ядерная, электрическая, солнечная). Р. д. (двигатель прямой реакции) сочетает в себе собственно двигатель с движителем, т. е. обеспечивает собственное движение без участия промежуточных механизмов.

История создания дизельного двигателя

Изобретатель дизельного двигателя Рудольф Дизель (Rudolf Diesel) родился 18 марта 1858 года в Париже, его родители эмигрировали во Францию из Германии. Когда мальчику было 11 лет, началась Франко-прусская война, из-за которой семье Рудольфа вновь пришлось эмигрировать, на этот раз в Англию. Через некоторое время он уезжает к родственникам в немецкий город Аугсбург, там заканчивает училище (1873 год) и поступает в политехническую школу. А уже в 1875 году Рудольф с блеском сдает вступительные экзамены в Высшую политехническую школу в Мюнхене, которую впоследствии успешно оканчивает.В 20-летнем возрасте Дизель возвращается во Францию, чтобы стать главой парижского завода акционерного общества Le refrigerateur («Холодильник»). На этом месте он проработал 12 лет и стал одним из членов правления Акционерного общества холодильных машин. За это время он создал много чертежей и расчетов двигателей, работающих на аммиаке. Дизель фонтанировал идеями построения двигателей для самых разных агрегатов – от моторчиков для швейных машинок до устройств, работающих на солнечных батареях. Он пытался рассчитать самый эффективный двигатель с лучшим КПД.С этим багажом бумаг в 1890 году Рудольф отправился в Берлин, где его посетила гениальная идея. Сам он описал это событие так: «В неустанной погоне за целью, в итоге бесконечных расчетов родилась наконец-то идея, наполнившая меня огромной радостью. Нужно вместо аммиака взять сжатый горячий воздух, впрыснуть в него распыленное топливо и одновременно с сгоранием расширить его так, чтобы возможно больше тепла использовать для полезной работы».Блестящая идея, пришедшая на ум Дизелю, дала старт огромной работе, началом которой послужил патент, носящий название «Рабочий процесс и способ выполнения одноцилиндрового и многоцилиндрового двигателей», выданный 28 февраля 1892 года. Через год был создан первый опытный двигатель, его собрали в Аугсбурге под руководством Дизеля. Во время его испытаний создавались и другие опытные модели, по истечении трех лет работы было создано еще три мотора, последние два из них показали более-менее стабильный ход.Первый образец работал на угольной пыли, но в нем не охлаждались стенки с помощью воды. Для второго образца в качестве топлива выбрали керосин, это дало результат – во время испытаний в 1894 году он работал без нагрузки. Опираясь на данные, полученные во время опытов, ученый создает третий образец, в котором учтены ошибки первых двух. Этот вариант был сырым макетом современного дизельного двигателя, в нем использовался сжатый воздух для подачи топлива в цилиндры и распыления. Третья модель во время испытаний 1 мая 1895 года проработала 30 минут, а впоследствии были проведены тесты с различными нагрузками.Четвертая версия, самая совершенная из всех предыдущих, была создана в 1896 году. Мощность этой модели составила 20 л. с., давление в цилиндрах достигало 35 атмосфер, температура воздуха при сжатии составляла 600-800 градусов по Цельсию, что позволяло использовать ее в промышленных целях. КПД этого мотора был около 34%, что превышало на 15% показатели лучших паровых машин. Измерения зимой 1897 года показали расход 0,24 г керосина на 1 л. с. в час, эффективный КПД составлял 0,26, а термический – 0,29. Таким образом, этот двигатель являлся лучшим силовым агрегатом того времени.Первый дизельный двигатель был создан в 1897году на заводе в Аугсбурге. Его высота составляла 3 м, он развивал 172 об./мин., единственный цилиндр имел диаметр 250 мм, ход поршня составлял 400 мм, а мощность варьировалась от 17,8 до 19,8 л. с. Расход топлива составлял 258 г нефти на 1 л. с. в час, термический КПД достиг 26,2%. Этот мотор был представлен на выставке паровых машин в 1898 году в Мюнхене. В одночасье Рудольф Дизель стал богачом – очень много компаний решило купить лицензии на его производство. Деньги дали возможность ученому заняться коммерцией – он покупал и продавал фирмы, стал основателем завода по производству электропоездов и даже вкладывал деньги в католические лотереи. Однако исследования он забросил.Первые выпущенные дизельные двигатели оказались недееспособными из-за заводских просчетов. Производители не задумались над тем, что создание двигателя требовало высокой точности в изготовлении деталей и использовании жаропрочных материалов. Это было слишком дорого для заводов, поэтому вскоре в адрес Дизеля понеслась жесткая критика. Его обвиняли в обмане, так как предприятия хотели наладить массовое производство дизелей, но из-за больших затрат они могли позволить себе лишь мелкосерийные партии. К их возмущениям присоединяются владельцы угольных шахт и прочие завистники. Под такой аккомпанемент фабрика в Аугсбурге, принадлежавшая Дизелю, стала банкротом.

Рудольф начал налаживать связи с другими странами, он обратился к промышленникам из Франции, Австрии, Швейцарии, России, Америки и Бельгии. Так, права на производство и продажу дизельных двигателей купил Альфред Нобель, который собирался наладить эту работу в России. В 1898 году Эммануил Нобель сделал возможным производство дизельных моторов на фамильном заводе в Петербурге. В этом же году при содействии Нобеля был создан первый в мире двигатель с внутренним смесеобразованием. И уже через год заработал первый дизельный двигатель. Всего в 1899 году их было выпущено 7 штук мощностью 30 и 40 л. с. А через 13 лет штат работников завода увеличился до 1000 человек, что позволило наладить выпуск более 300 моторов в год.В 1908 году Дизель приступил к созданию двигателя, пригодного для работы с автомобилем. Он создал опытный экземпляр, по размерам и массе подобный бензиновому, который установил на грузовик, но тесты двигатель не прошел. Примерно в эти же годы его вновь признают на родине как выдающегося ученого и вручают диплом доктора-инженера в присутствии кайзера Вильгельма II. Помимо исследований по части двигателя Рудольф занимался созданием огнемета, работал с зажигательными смесями. Еще он дорабатывал конструкцию реверсивного судового четырехконтактного мотора. В последнем он добился хороших результатов, благодаря чему в конце лета 1913 года его позвали в Англию.

Смерть Рудольфа Дизеля так и осталась загадкой для человечества. Это произошло 29 сентября 1913 года на лайнере «Дрезден». Корабль выехал из гавани Антверпена, после ужина в 11 часов вечера ученый отправился спать в свою каюту. На следующий день утром в ней никого не было, Дизель исчез с судна. Его тело было найдено через 10 дней командой бельгийского лоцманского катера. С утопленника сняли кольца, вынули из карманов кошелек, футляр для очков и аптечку, а труп погрузили в море. Сын Дизеля прибыл в Бельгию на опознание вещей, он подтвердил, что они принадлежали Рудольфу. Есть множество предположений о причине гибели ученого: одни говорили, что это самоубийство на фоне банкротства (в наследство семье осталось всего 20 тыс. марок), другие заявляли, что это несчастный случай, третьи были уверены в том, что его убили немецкие солдаты, чтобы не допустить утечки секретной информации. Были и приверженцы версии, что к смерти Дизеля причастен Людвиг Нобель.

Дальнейшей работой над дизельным мотором занялся инженер Проспер Леранж, работник завода Benz&Cie. В 1909 году он получил патент на дизельный двигатель с предкамерой. Кроме того, он изобрел конусообразную предкамеру, форсунки с игольчатым клапаном и насос-форсунки. Первый грузовик, оснащенный дизельным двигателем, был выпущен в 1923 году на заводе в Мангейме. Это был 5-тонный Benz 5K3, в котором был установлен 4-цилиндровый дизельный двигатель с предкамерой объемом 8,8 л, он развивал мощность от 45 до 50 л. с. при 1000 об./мин. Практически одновременно с этим событием инженеры компании Daimler-Motoren-Gesellschaft создали атмосферный дизель аналогичной мощности, а также в компании MAN (Maschinenfabrik Augsburg-Nurnberg) был сконструирован дизель с прямым впрыском

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ.

Книга Дизель Рудольфа «Создание дизельного двигателя»

Яворский Б. М., Детлаф А. А. Справочник по физике.

Виды тепловых двигателей

Среда
26.02.2020
20:46
–>Приветствую Вас Гость | RSS
–>Мой сайт –>
–>
–>
–> –>Меню сайта –>
–>
–>

–> –> –> –> –> –> –> –>

–> –>Наш опрос –>
–>
–>

–> –>

–> –>Статистика –>

–>

Тепловые двигатели
–>

Тепловые двигатели

2.Работа совершаемая двигателем

3.КПД замкнутого цикла

5. Типы тепловых двигателей

6.Тепловые двигатели и охрана окружающей среды

10.Список используемой литературы

История тепловых машин уходит в далекое прошлое. Говорят, еще две с лишним тысячи лет назад, в III веке до нашей эры, великий греческий механик и математик Архимед построил пушку, которая стреляла с помощью пара. Рисунок пушки Архимеда и ее описание были найдены спустя 18 столетий в рукописях великого итальянского ученого, инженера и художника Леонардо да Винчи. Я выбрал тему «тепловой двигатель» потому что она заинтересовала меня по несколько пунктам. Во-первых, тепловой двигатель – необходимый атрибут современной цивилизации. С их помощью вырабатывается около 80% электроэнергии. Без тепловых двигателей невозможно представить, современный транспорт. В то же время повсеместное использование тепловых двигателей связано с отрицательным воздействием на окружающую среду. На мой взгляд, эта тема очень интересна и занимательна. Поэтому я выбрал эту тему для изучения и хотел бы рассмотреть несколько вопросов:

1.Работу теплового двигателя

2. История его создания

3. КПД замкнутого цикла

5.Виды тепловых двигателей

6.Провести опыт с тепловым двигателем

8. Влияние тепловых двигатель на окружающую среду.

1. История создания

Появление тепловых двигателей связано с возникновением и развитием промышленного производства в начале XVII в. главным образом в Англии. Копи, в которых добывали руду, нуждались в устройствах для откачки воды. Глубина шахт стала достигать 200 м. Приходилось держать до пятисот лошадей на одном руднике. Эта чисто практическая задача и стала причиной того, что первым тепловым двигателем стала машина для откачки воды. В 1698 г. Томас Севери, шахтовладелец, получил патент № 356 с формулировкой, что он выдан на устройство «для подъема воды и для получения движения всех видов производства при помощи движущей силы огня. ». Севери первым отделил рабочее тело (водяной пар) от перекачиваемой воды. Для этого он сделал отдельный котел, а пар, который поломали в котле, через кран выпускал в сосуд с водой, и пар вытеснял воду в напорную (верхнюю) трубу. Впоследствии машина Севери была усовершенствована Дезагюлье, предложившим охлаждать пар в сосуде путем впрыскивания в него воды. Это существенно увеличило частоту рабочих циклов. Одна из таких машин была выписана Петром I и установлена в Летнем саду. Машины Севери оказались очень надежными и долговечными. Вслед за Севери паровую машину (также приспособленную для откачивания воды из шахты) сконструировал английский кузнец Томас Ньюкомен. Он умело использовал многое из того, что было придумано до него. Ньюкомен взял цилиндр с поршнем Папена, но пар для подъема поршня получал, как и Севери, в отдельном котле. Первый универсальный тепловой двигатель был создан в России выдающимся изобретателем, механиком Воскресенских заводов на Алтае И.И.Ползуновым. Кроме того, Ползунов внес серьезные усовершенствования в конструкцию рабочих органов двигателя, применил оригинальную систему паро- и водораспределения, и в отличие от машин Ньюкомена ось вала его машины была параллельна плоскости цилиндров. Проект своей машины Ползунов изложил в 1763 г. в записке, адресованной начальнику Колывано-Воскресенского горного округа А. И. Порошину. Первый патент на двигатель, использующий нагретый(Пидр) воздух, выдан в Великобритании в 1816 г. пастору Роберту Стирлингу. Изготовление двигателей Стирлинга началось в 1818 г. их применяли там где не годились громоздкие паровые машины. Роберт Стирлинг вместе со своим братом долгие годы испытывал затруднения с выбором конструктивных материалов и в конце своей жизни, в 1876 г., выразил надежду, что препятствия, которые возникают из-за отсутствия соответствующих материалов, будут со временем устранены

2. Работа совершаемая двигателем.

Совершение механической работы в современных машинах и механизмах в основном происходят за счет внутренней энергии веществ. Примером такого механизма может служит тепловой двигатель. Тепловой двигатель-устройство преобразующее внутреннюю энергию топлива в механическую энергию. Механическая работа в двигателе совершается при расширении рабочего вещества, перемещающего поршень в цилиндре. Для цикличной, непрерывной работы двигателя необходимо возращение поршня в первоначальное положение, т.е. сжатие рабочего вещества. Легко сжимаемым является вещество в газообразном состоянии, поэтому в качестве рабочего вещества в тепловых двигателях используется газ или пар. Сжатие газа не может быть самопроизвольным, оно происходит только под действием внешней силы, например за счет энергии, запасенной маховиком двигателя при расширении газа. Полная механическая работа А складывается из работы расширение газа и работы сжатия. Так как при сжатии дельта V 0 необходимо чтобы работа сжатия газа была меньше работы расширения. А=(Pрасш-Рсж)V Изменение объема V газа при расширении и сжатии должно быть одинаковым из-за цикличности работы двигателя. Следовательно, давление газа при сжатии должно быть меньше его давления при расширении. При одном и том же объеме давление газа тем меньше, чем ниже его температура, поэтому перед сжатием газ должен быть охлажден, Т.е. приведен в контакт с холодильником- телом, имеющим более низкую температуру. Для получения механической работы в тепловом двигателе при циклическом процессе расширение газа должно происходить при более высокой температуре, чем сжатие. Необходимое условие для циклического получения механической работы в тепловом двигателе- наличие нагревателя и холодильника.

3. КПД замкнутого цикла

Для непрерывного совершения механической работы термодинамический цикл должен быть замкнутым. Замкнутый процесс (цикл)- совокупность термодинамических процессов, в результате которых система возвращается в исходное состояние. Замкнутые (круговые) процессы используются при работе всех тепловых машин: двигателей внутреннего сгорания, паровых и газовых турбин, холодильных машин. Для оценки эффективности преобразования внутренней энергии газа в механическую работу, совершаемую за цикл, вводится коэффициент полезного действия. Коэффициент полезного действия теплового двигателя (КПД)- отношение работы, совершаемой двигателем за цикл, к количеству теплоты, полученному от нагревателя:

В циклическом тепловом двигателе нельзя преобразовать в механическую работу все количество теплоты Q1, получаемое от нагревателя. Некоторое количество теплоты Q2 отдается холодильнику, поэтому работа, совершаемая двигателем за цикл, не может быть больше

Учитывая полученное равенство, выражение для КПД можно записать в виде:

Коэффициент полезного действия теплового двигателя всегда меньше единицы.

Круговой цикл не реализуется при отсутствии холодильника, т.е. при Q2=0

Сади Карно, выясняя при каком замкнутом процессе тепловой двигатель будет иметь максимальный КПД, предложил использовать цикл, состоящий из 2 адиабатных процессов. Выбор именно этих процессов обусловлен тем, что работа газа при изотермическом расширении совершается за счет внутренней энергии нагревателя, а при адиабатном процессе за счет внутренней энергии расширяющегося газа. В этом цикле исключен контакт тел с разной температурой, а значит, исключена теплопередача без совершения работы.

Цикл Карно- самый эффективный цикл ,имеющий максимальный КПД .

В процессе изотермического расширения (1-2) при температуре Т1 работа совершается за счет изменения внутренней энергии нагревателя, т.е. за счет подведения к газу количество теплоты Q1:

Охлаждение газа (3-4) происходит при адиабатном расширении 2-3. Все изменение внутренней энергии дельта U23 при таком процессе (Q=0) преобразуется в механическую работу:

Температура газа в результате адиабатного расширения 2-3 понижается до температуры холодильника T2

Цикл завершается процессом адиабатного сжатия 4-1(Q=0), при котором газ нагревается до температуры Т1.

Используя формулу рассмотренную ранее можно найти максимальное значение КПД тепловых двигателей соответствующее циклу Карно:

5.Типы тепловых двигателей

Дви́гатель Стирлинга — 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 создания разницы температур его цилиндров.

Поршневой двигатель внутреннего сгорания

Двигатель Внутреннего Сгорания или ДВС, тепловой двигатель, в котором часть химической энергии топлива, сгорающего в рабочей полости, преобразуется в механическую энергию. По роду топлива различают жидкостные и газовые; по рабочему циклу непрерывного действия, 2- и 4-тактные; по способу приготовления горючей смеси с внешним (напр., карбюраторные) и внутренним (напр., дизели) смесеобразованием; по виду преобразователя энергии поршневые, турбинные, реактивные и комбинированные. Коэффициент полезного действия 0,4-0,5.

В наше время чаще встречается автомобильный транспорт, который работает на тепловом двигателе внутреннего сгорания, работающем на жидком топливе. Рабочий цикл в двигателе происходит либо за четыре хода поршня, за четыре такта, либо за два и двигатели делятся на четырёхтактные и двухтактные. Цикл четырёхтактного двигателя состоит из следующих тактов: 1.впуск, 2.сжатие, 3.рабочий ход, 4.выпуск. В цикле двухтактного двигателя такты рабочего хода и сжатия аналогичны четырёхтактному двигателю, а впуск и выпуск осуществляется одновременно в момент нахождения поршня вблизи от нижней мёртвой точки

Роторный (турбинный) двигатель внешнего сгорания

Примером такого устройства является тепловая электрическая станция в базовом режиме. Таким образом колёса локомотива (электровоза) также, как и в 19 веке, вращает энергия пара. Но тут есть два существенных отличия. Первое отличие заключается в том, что паровоз 19 века работал на качественном дорогом топливе, например на антраците. Современные же паротурбинные установки работают на дешевом топливе, например на канско-ачинском угле, который добывается открытым способом шагающими экскаваторами. Но в подобном топливе много пустого балласта, который транспорту приходится возить с собой вместо полезного груза. Электровозу не надо возить не только балласт, но и топливо вообще. Второе отличие заключается в том, что тепловая электрическая станция работает по циклу Ренкина, который близок к циклу Карно. Цикл Карно состоит из двух адиабат и двух изотерм. Цикл Ренкина состоит из двух адиабат, изотермы и изобары с регенерацией тепла, которая приближает этот цикл к идеальному циклу Карно. На транспорте трудно сделать такой идеальный цикл, так как у транспортного средства есть ограничения по массе и габаритам, которые практически отсутствуют у стационарной установки.

Роторный (турбинный) двигатель внутреннего сгорания

Примером такого устройства является тепловая электрическая станция в пиковом режиме. Порой в качестве газотурбинной установки используют списанные по технике безопасности воздушно-реактивные двигатели.

Реактивные и ракетные двигатели

Идея реактивного и ракетного двигателя состоит в том, чтобы тяга создавалась не винтом, а отдачей выхлопных газов двигателя.

Турбовинтовой двигатель

Турбовинтовой двигатель часть тяги создаёт за счёт винта, другую часть за счёт отдачи выхлопных газов. По конструкции он представляет собой газовую турбину (роторный двигатель внутреннего сгорания), на вал которой насажен воздушный винт.

Турбореактивный двигатель

Турбореактивный двигатель создаёт тягу за счёт отдачи выхлопных газов. По конструкции он представляет собой газовую турбину (роторный двигатель внутреннего сгорания), на вал которой насажен компрессор, повышающий давление для эффективного сжигания топлива.

6.Тепловые двигатели и охрана окружающей среды

Как известно, экологическая обстановка на Земле и в нашей стране продолжает ухудшаться: озоновая дыра в Антарктике не уменьшается, а загрязненность Мирового океана и воздушной оболочки планеты повышается.

Автомобили на сегодняшний день в России – главная причина загрязнения воздуха в городах. Сейчас в мире их насчитывается более полумиллиарда. В России автомобиль имеет каждый десятый житель, а в больших городах – каждый пятый. Выбросы от автомобилей в городах особенно опасны тем, что загрязняют воздух в основном на уровне 60-90 см. от поверхности земли и, особенно на участках автотрасс, где стоят светофоры. Автомобили выбрасывают в атмосферу диоксид и оксид углерода, оксиды азота, формальдегид, бензол, бензопирен, сажу (всего около 300 различных токсичных веществ). При истирании автомобильных шин об асфальт атмосфера загрязняется резиновой пылью, вредной для здоровья человека. Автомобиль расходует огромное количество кислорода. За неделю в среднем легковой автомобиль выжигает столько кислорода, сколько его четыре пассажира расходуют на дыхание в течение года. С ростом числа автомобилей уменьшается площадь, занятая растительностью, которая дает кислород и очищает атмосферу от пыли и газа, все больше места занимают площадки для парковок, гаражи и автомобильные дороги.

Вступая в трудовую жизнь люди должны иметь четкое представление о том, что природные ресурсы не бесконечны и технология любой продукции должна удовлетворять такому основному, с экологической точки зрения, требованию, как минимальное потребление материалов и энергии. Они хорошо должны знать законы природы, понимать взаимосвязь природных явлений, уметь предвидеть и оценивать последствия вмешательства в естественное течение процессов. У них должно быть сознание приоритетности решения экологических проблем при осуществлении любых проектов, создании машин и механизмов, при всяком хозяйственном начинании, а также твердое убеждение в том, что без уверенности в безвредности для окружающей среды того или иного мероприятия оно не должно реализоваться.

7.Задачи

1)Двигатель работает по циклу Карно. Как изменится КПД теплового двигателя, если при постоянной температуре холодильника 290K температуру нагревателя повысить со 400 до 720K?

2) Определите КПД двигателя трактора, которому для выполнения работы 1,9 · 107Дж потребовалось 1,5 кг топлива с удельной теплотой сгорания 4,2 · 107Дж/кг.

Этот опыт доказывает, что при нагревании жидкости пар расширяется. Внутренняя энергия топлива переходит во внутреннюю энергию пара, а он переходит в механическую работу, то есть газ совершает работу, то есть повышается давление. Под действием давления вылетает пробка. Это является простейшим тепловым двигателем. Устройства, в которых внутренняя энергия топлива превращается в механическую энергию, называются тепловыми двигателями.

Целью данного реферата было рассмотрение работы теплого двигателя, истории его создания, воздействие двигателя на окружающую среду. Работая над этим рефератом, я узнал много новой полезной информации. Научился решать задачи, проводить опыт с тепловым двигателем, узнал, что тепловые двигатели делятся на не сколько типов такие как: ДВС, двигатель Стирленга и Реактивные двигателя.

Оценка статьи:

Загрузка… Сохранить себе в: Виды тепловых двигателей Ссылка на основную публикацию

Тепловые двигатели. Виды тепловых двигателей

Тепловой двигатель — это аппарат, который совершает работу за счет использования энергии топлива. Машина, работающая на таком двигателе, превращает тепловую энергию в механическую и применяет зависимость расширения вещества от значения температуры.

Первая тепловая машина появилась в Римской империи. Это была турбина внешнего сгорания, работающая на пару. Но из-за низкого развития техники это изобретение не получило развития. На прогресс оно никак не повлияло и вскоре было забыто. Позже в Китае появилось пороховое орудие и пороховая ракета. Это было сравнительно простое устройство. С точки зрения механики пороховая ракета не являлась тепловым двигателем, а с точки зрения физики являлась тепловой машиной. Уже в 17 веке ученые пытались изобрести на основе порохового орудия тепловой двигатель.

Виды тепловых двигателей

Тепловые двигатели внешнего сгорания:

1. Двигатель Стирлинга — это тепловой аппарат, в котором газообразное или жидкое рабочее тело совершает движения в замкнутом пространстве. Это устройство основано на периодическом охлаждении и нагреве рабочего тела. При этом извлекается энергия, которая возникает при изменении объема рабочего тела. Двигатель Стирлинга может работать от любого источника тепла.

2. Паровые машины. Главный их плюс — это простота и отличные тяговые качества, на которые не влияет скорость работы. При этом можно обходиться без редуктора. Этим паровая машина отличается в лучшую сторону от двигателя внутреннего сгорания, выдающего на малых оборотах недостаточное количество мощности. По этой причине паровую машину удобно использовать в качестве тягового двигателя. Недостатки: низкий КПД, невысокая скорость, постоянный расход воды и топлива, большой вес. Раньше паровые машины были единственным двигателем. Но они требовали много топлива и замерзали зимой. Затем их постепенно вытеснили электродвигатели, ДВС, паровые турбины и газовые, которые обладают компактностью, более высоким КПД, универсальностью и эффективностью.

Тепловые двигатели внутреннего сгорания:

1. ДВС (расшифровывается как двигатель внутреннего сгорания) — это двигатель, в процессе работы которого, часть сгорающего топлива преобразуется в механическую энергию. Поршневые ДВС различаются по виду топлива (газовые и жидкостные), по рабочему циклу (двух- и четырехтактные), по способу приготовления рабочей смеси (карбюраторные, дизели), по типу преобразования энергии (турбинные, комбинированные, поршневые и реактивные). Первый ДВС был придуман и создан Э. Ленуаром в 1860 году. Рабочий цикл состоит из четырех тактов, по этой причине этот двигатель еще называют четырехтактным. В настоящее время такой двигатель чаще всего встречается на автомобилях.

2. Роторный ДВС. В качестве примера можно привести электрическую тепловую станцию, работающую в базовом и пиковом режимах. Этот вид двигателя относительно прост и может быть создан в любых размерах. Вместо поршней используется ротор, вращающийся в специальной камере. В ней расположены впускные отверстия и выпускные, а также свеча зажигания. При таком типе конструкции четырехтактный цикл осуществляется без механизма газораспределения. В роторном ДВС можно использовать дешевое топливо. Также он практически не создает вибраций, дешевле и надежнее в производстве, чем поршневые тепловые двигатели.

3. Ракетные и реактивные тепловые двигатели. Суть этих устройств состоит в том, чтобы тяга создавалась не с помощью винта, а посредством отдачи выхлопных газов двигателя. Могут создавать тягу в пространстве без воздуха. Бывают твердотопливные, гибридные и жидкостные).

И последний подвид — это турбовинтовые тепловые двигатели. Создание энергии происходит за счет винта и за счет отдачи газов выхлопных.

Виды тепловых двигателей — презентация онлайн

1. Разновидности тепловых двигателей

Выполнила ученица 10ск класса Арутюнян Симона
• Тепловой двигатель — аппарат,
превращающий теплоту в механическую
энергию, используя зависимость объёма
вещества от температуры.
Принцип действия :
• Принцип действия теплового двигателя
основан на свойстве газа или пара при
расширении совершать работу
• В процессе работы теплового двигателя
периодически повторяются расширения и
сжатия газа
• Расширения газа происходят
самопроизвольно,а сжатия под действием
внешней силы

3. Тепловые двигатели внешнего сгорания

Двигатель Стирлинга — это тепловой аппарат, в котором
газообразное или жидкое рабочее тело совершает движения в
замкнутом пространстве. Это устройство основано на
периодическом охлаждении и нагреве рабочего тела. При этом
извлекается энергия, которая возникает при изменении объема
рабочего тела. Двигатель Стирлинга может работать от любого
источника тепла.
Цикл Стирлинга состоит из четырёх фаз и разделён двумя
переходными фазами: нагрев, расширение, переход к источнику
холода, охлаждение, сжатие и переход к источнику тепла. Таким
образом, при переходе от тёплого источника к холодному источнику
происходит расширение и сжатие газа, находящегося в цилиндре.
При этом изменяется давление, за счёт чего можно получить
полезную работу.
• Внешний источник тепла нагревает газ в нижней части
теплообменного цилиндра. Создаваемое давление толкает
рабочий поршень вверх (вытеснительный поршень неплотно
прилегает к стенкам).
• Маховик толкает вытеснительный поршень вниз, тем самым
перемещая разогретый воздух из нижней части в охлаждающую
камеру.
• Воздух остывает и сжимается, рабочий поршень опускается вниз.
• Вытеснительный поршень поднимается вверх, тем самым
перемещая охлаждённый воздух в нижнюю часть. И цикл
повторяется.
В машине Стирлинга движение рабочего поршня сдвинуто на 90°
относительно движения поршня-вытеснителя. В зависимости от знака
этого сдвига машина может быть двигателем или тепловым насосом.
1.
• 2. Паровые машины. Главный их плюс — это
простота и отличные тяговые качества, на
которые не влияет скорость работы. При этом
можно обходиться без редуктора. Этим паровая
машина отличается в лучшую сторону от
двигателя внутреннего сгорания, выдающего на
малых оборотах недостаточное количество
мощности. По этой причине паровую машину
удобно использовать в качестве тягового
двигателя. Недостатки: низкий КПД, невысокая
скорость, постоянный расход воды и топлива,
большой вес. Раньше паровые машины были
единственным двигателем. Но они требовали
много топлива и замерзали зимой. Затем их
постепенно вытеснили электродвигатели, ДВС,
паровые турбины и газовые, которые обладают
компактностью, более высоким КПД,
универсальностью и эффективностью.
• Схема паровой машины тандем: 1 – поршень, 2 –
поршневой шток, 3 – ползун, 4 – шатун, 5 –
кривошип, 6 – движение эксцентрикового
клапана, 7 – маховик, 8 – скользящий клапан, 9 –
центробежный регулятор

5. Тепловые двигатели внутреннего сгорания

• 1. ДВС ( двигатель внутреннего сгорания) — это двигатель, в процессе работы которого, часть сгорающего топлива
преобразуется в механическую энергию. Поршневые ДВС различаются по виду топлива (газовые и жидкостные), по
рабочему циклу (двух- и четырехтактные), по способу приготовления рабочей смеси (карбюраторные, дизели), по типу
преобразования энергии (турбинные, комбинированные, поршневые и реактивные).
• Первый ДВС был придуман и создан Э. Ленуаром в 1860 году. Рабочий цикл состоит из четырех тактов, по этой причине
этот двигатель еще называют четырехтактным. В настоящее время такой двигатель чаще всего встречается на
автомобилях.

6. Роторный ДВС- тепловой двигатель, в котором главный подвижный рабочий элемент двигателя — ротор — совершает вращательное

Роторный ДВС- тепловой двигатель, в котором главный подвижный рабочий элемент
двигателя — ротор — совершает вращательное движение.
• Двигатели должны давать на выходе вращательное движение главного вала. Именно
этим роторные ДВС отличаются от наиболее распространенных сегодня поршневых
ДВС, в которых главный подвижный рабочий элемент (поршень) совершает возвратнопоступательные движения. В роторных моторах, где главный рабочий элемент и так
вращается, не требуется дополнительных механизмов для получения вращательного
движения. В поршневых же моторах приходится применять громоздкие и
сложные кривошипно-шатунные механизмы для преобразования возвратнопоступательного движения поршня во вращательное движение коленчатого вала.
Классификация:
• роторные двигатели с неравномерным разнонаправленным (возвратно-вращательным)
движением главного рабочего элемента;
• роторные двигатели с неравномерным однонаправленным (пульсирующевращательным) движением главного рабочего элемента;
• роторные двигатели с простым и равномерным вращательным движением главного
рабочего элемента и с уплотнительными заслонками-лопастями, движущимися в
роторе. Частный случай — с заслонками-лопастями, отклоняющимися на шарнирах на
роторе;
• роторные двигатели с простым и равномерным вращательным движением главного
рабочего элемента и с уплотнительными заслонками, движущимися в корпусе;
• роторные двигатели с простым и равномерным вращательным движением главного
рабочего элемента и с использованием такого же простого вращательного движения
уплотнительных элементов;
• роторные двигатели с простым вращательным движением главного рабочего
элемента, без применения отдельных уплотнительных элементов и спиральной
организацией формы рабочих камер;
• роторные двигатели с планетарным вращательным движением главного рабочего
элемента и без применения отдельных уплотнительных элементов.

7. Ракетные и реактивные тепловые двигатели

• Реактивный двигатель представляет собой
совмещенный тепловой двигатель и движетель, в
нём внутренняя энергия топлива преобразуется в
кинетическую энергию реактивной струи
разогретого рабочего тела. Реактивные двигатели
отбрасывают нагретое рабочее тело с большой
скоростью, за счет его проистечения, в
соответствии с законом сохранения импульса,
образуется реактивная сила, толкающая двигатель
в противоположном направлении. В тепловых
реактивных двигателях обычно используется
химическое топливо в газообразном, жидком
или твёрдом состоянии, порождающее разогретый
газ при сгорании. Воздушно-реактивные
двигатели используют газообразный окислитель из
окружающей среды, тогда как ракетные
двигатели снабжаются запасами всех компонентов
рабочего тела с носителя и способны работать в
любой среде, в том числе и в безвоздушном
пространстве.
• Используются для приведения в движение
самолётов, ракет и космических аппаратов.

дизельных и карбираторных — доклад

Наша сегодняшняя встреча посвящена тепловым двигателям. Именно они приводят в движение большинство видов транспорта, позволяют получать электроэнергию, несущую нам тепло, свет и комфорт. Как устроены и каков принцип действия тепловых машин?

Понятие и виды тепловых двигателей

Тепловые двигатели — устройства, обеспечивающие превращение химической энергии топлива в механическую работу.

Осуществляется это следующим образом: расширяющийся газ давит либо на поршень, вызывая его перемещение, либо на лопасти турбины, сообщая ей вращение.

Взаимодействие газа (пара) с поршнем имеет место в паровых машинах, карбюраторных и дизельных двигателях (ДВС).

Примером действия газа, создающим вращение является работа авиационных турбореактивный двигателей.

Структурная схема работы теплового двигателя

Несмотря на отличия в их конструкции, все тепловые машины имеют нагреватель, рабочее вещество (газ или пар) и холодильник.

В нагревателе происходит сгорание топлива, в результате чего выделяется количество теплоты Q1, а сам нагреватель при этом нагревается до температуры T1. Рабочее вещество, расширяясь, совершает работу A.

Но теплота Q1 не может полностью превратится в работу. Определенная ее часть Q2 через теплопередачу от нагревшегося корпуса, выделяется в окружающую среду, условно называемую холодильником с температурой T2.

О паровых двигателях

Хронология этого изобретения ведёт свой отсчёт от эпохи Архимеда, придумавшего пушку, стрелявшую с помощью пара. Затем следует череда славных имён, предлагавших свои проекты. Наиболее эффективный вариант устройства принадлежит русскому изобретателю Ивану Ползунову. В отличие от своих предшественников он предложил непрерывный ход рабочего вала за счёт использования попеременной работы 2-х цилиндров.

Сгорание топлива и образование пара у паровых машин происходит вне рабочей камеры. Поэтому их называют двигателями внешнего сгорания.

По такому же принципу образуется рабочее тело в паровых и газовых турбинах. Их далеким прообразом явился шар, вращаемый паром. Автором этого механизма был учёный Герон, творивший свои машины и приборы, в древней Александрии.

О двигателях внутреннего сгорания

В конце XIX века немецким конструктором Августом Отто была предложена конструкция ДВС с карбюратором, где приготавливается топливовоздушная смесь.

Остановимся более подробно на его работе. Каждый цикл работы состоит из 4-х тактов: впуска, сжатия, рабочего хода и выпуска.

Во время первого такта горючая смесь впрыскивается в цилиндр и сжимается поршнем. Когда компрессия достигает максимума, срабатывает система электроподжига (искра от свечи). В результате этого микровзрыва температура в камере сгорания достигает 16 000 — 18 000 градусов. Образующиеся газы давят на поршень, толкают его, проворачивая соединенный с поршнем коленчатый вал. Это и есть рабочий ход, приводящий автомобиль в движение.

А охладившиеся газы через выпускной клапан выбрасываются в атмосферу. Пытаясь улучшить эффективность работы устройства, разработчики увеличивали степень сжатия горючей смеси, но тогда она самовоспламенялась «досрочно».

Немецкий инженер Дизель нашел интересный выход из этого затруднения…

В цилиндрах дизеля за счёт движения поршня сжимается чистый воздух. Это позволило в несколько раз увеличить степень сжатия. Температура в камере сгорания достигает 900 град. В конце такта сжатия туда впрыскивается солярка. Её мелкие капли, смешавшись со столь разогретым воздухом, самовоспламеняются. Образующиеся газы, расширяясь, давят на поршень, осуществляя рабочий ход.

Итак, дизельные двигатели отличаются от карбюраторных:

  • По роду используемого топлива. Карбюраторные двигатели — бензиновые. Дизельные — потребляют исключительно солярку.
  • Дизель на 15–20 % экономичнее карбюраторных двигателей за счёт большей степени сжатия, но его обслуживание дороже, чем у его соперника — бензинового двигателя.
  • В числе минусов дизеля — в холодные российские зимы солярка загустевает, нужен её подогрев.
  • Последние исследования американских учёных показали, что выбросы от дизельных двигателей по составу менее вредны, чем от их бензиновых аналогов.

Многолетняя конкуренция между двумя видами ДВС завершилась распределением сферы их использования. Дизельные двигатели как более мощные устанавливаются на морском транспорте, на тракторах и автомобилях большой грузоподъёмности, а карбюраторные — на автомобили малой и средней грузоподъемности, на моторные лодки, мотоциклы и т. д.

Коэффициент полезного действия (КПД)

Эффективность эксплуатации любого механизма определяется его КПД. Паровой двигатель, выпускающий отработанный пар в атмосферу, имеет весьма низкий КПД от 1 до 8%, бензиновые двигатели до 30%, обычный дизельный двигатель до 40%. Безусловно, во все времена инженерная мысль не останавливалась и искала пути повышения КПД.

Талантливый французский инженер Сади Карно разработал теорию работы идеального теплового двигателя.

Его рассуждения были следующими: чтобы обеспечить повторяемость циклов, необходимо, чтобы расширение рабочего вещества при нагревании сменялось его сжатием до первоначального состояния. Этот процесс может совершаться только за счёт работы внешних сил. Причём работа этих сил должна быть меньше полезной работы самого рабочего тела. Для этого следует понизить его давление путём охлаждения в холодильнике. Тогда график всего цикла будет иметь вид замкнутого контура, он то и стал называться циклом Карно. Максимальный КПД идеального двигателя вычисляется по формуле:

Где η сам коэффициент полезного действия, T1 и T2 абсолютные температуры нагревателя и холодильника. Они вычисляются по формуле T= t+273, где t температура по Цельсию. Из формулы видно, что для увеличения КПД необходимо увеличить температуру нагревателя, что ограничено жаропрочностью материала, или понизить температуру холодильника. Максимальный КПД будет при Т= 0К, что также технически неосуществимо.

Реальный коэффициент всегда меньше КПД идеального теплового двигателя. Сравнивая реальный коэффициент с идеальным, можно определить резервы для совершенствования имеющегося двигателя.

Работая в этом направлении, конструкторы снабдили бензиновые двигатели последнего поколения инжекторными системами подачи топлива (впрыскивателями). Это позволяет с помощью электроники добиться его полного сгорания и соответственно увеличить КПД.

Изыскиваются пути уменьшения трения соприкасающихся деталей двигателя, а также улучшения качества используемого топлива.

Прежде природа угрожала человеку, а теперь человек угрожает природе

Со следствиями неразумной деятельности человека приходится сталкиваться уже нынешнему поколению. И значительный вклад в нарушение хрупкого равновесия природы вносит огромный объём тепловых двигателей, используемых на транспорте, в сельском хозяйстве, а также паровых турбин электростанций.

Это вредное воздействие проявляется в колоссальных выбросах и повышении содержания углекислого газа в атмосфере. Процесс сгорания топлива сопровождается потреблением атмосферного кислорода в таких масштабах, что это превышает его выработку всей земной растительностью.

Значительная часть тепла от двигателей рассеивается в окружающей среде. Этот процесс, усугубляемый парниковым эффектом, приводит к повышению среднегодовой температуры на Земле. А глобальное потепление чревато катастрофическими последствиями для всей цивилизации.

Чтобы ситуация не усугублялась, необходима эффективная очистка, отработанных газов, переход на новые экологические стандарты, предъявляющие более жёсткие требования к содержанию вредных веществ в выхлопных газах.

Очень важно использовать только качественное топливо. Хорошие перспективы ожидаются от использования в качестве горючего водорода, поскольку при его сгорании вместо вредных выбросов образуется вода.

В недалеком будущем значительная часть автомобилей, работающих на бензине, будет заменена электромобилями.

Только общими усилиями мы можем сохранить этот удивительный мир, которым природа одарила нашу планету.

Автор: Драчёва Светлана Семёновна


Если это сообщение тебе пригодилось, буда рада видеть тебя в группе ВКонтакте. А ещё — спасибо, если ты нажмёшь на одну из кнопочек «лайков»:

Вы можете оставить комментарий к докладу.

Двигатель внутреннего сгорания и турбина

Начиная с 17-го века широко используется свойство газа совершать работу при расширении. Устройства, которые преобразуют внутреннюю энергию газа в механическую работу, называются тепловыми машинами. Труд таких известных инженеров и ученых, как Ползунов, Ньюкомен, Джеймс Уатт, Шарль, Мариотт, Авогадро, Бойль, Дальтон, Карно, Клапейрон и, другие, позволил изобрести различные виды тепловых машин. Благодаря экскаваторам, подъемным кранам, станкам и другим механическим устройствам, снабженным тепловыми машинами, за короткое время мы можем выполнить большие объемы работы.

Расширение и работа газа

Газ, расширяясь, может совершать работу. От кастрюльки с кипящей водой, накрытой крышкой, слышен звук постукивающей крышки. Звук возникает благодаря тому, что кипящая вода бурно испаряется. Пар поднимается над водой, занимая пространство между поверхностью воды и крышкой. Расширяясь, пар приподнимает крышку (рис. 1).

Рис. 1. Расширяясь, горячий пар поднимает крышку, совершая работу

Часть пара покидает кастрюльку через образовавшуюся под крышкой щель. И крышка опускается. Этот процесс будет повторяться до тех пор, пока мы не прекратим подогревать кастрюльку.

Главным здесь является то, что нагретый пар (газ), расширяясь, может совершать работу, сдвигая крышку.

Джеймс Уатт в конце 17-го века придумал способ увеличить эффективность использования этого свойства нагретого пара. Он изобрел конденсатор пара, благодаря ему усовершенствовал паровую машину Ньюкомена. Это позволило увеличить ее эффективность в 3 раза.

Четыре вида тепловых двигателей

На сегодня известны такие типы тепловых двигателей (рис. 2):

  1. двигатель внутреннего сгорания,
  2. паровая турбина и газовая турбина,
  3. паровая машина,
  4. реактивный двигатель.

Рис. 2. Виды тепловых двигателей – ДВС, турбина, реактивный и паровой двигатели

Превращение энергии в тепловом двигателе

В любом тепловом двигателе по цепочке происходят такие превращения энергии (рис. 3):

Рис. 3. В тепловом двигателе энергия топлива превращается в механическую энергию

Двигатель внутреннего сгорания (ДВС)

Чтобы представить простой тепловой двигатель, кастрюльку заменим цилиндром, а крышку – металлическим поршнем. Поршень должен плотно прилегать к стенкам отполированного цилиндра, так, чтобы двигаться по нему с минимальным трением. Если в пространство под поршнем поместить газ, то нагреваясь и расширяясь, он сможет сдвинуть поршень. Полученное устройство называется тепловым двигателем.

Поступательное движение поршня с помощью дополнительных механических частей можно преобразовать во вращательное движение рабочего вала.

На сегодняшний день ДВС – это самый распространенный вид тепловых двигателей. В таких двигателях используется жидкое или газообразное топливо – бензин, керосин, спирт, нефть, горючий газ. Топливо в таком двигателе сгорает внутри цилиндра, поэтому его назвали двигателем внутреннего сгорания (ДВС).

Примечание: Паровая машина и, к примеру, двигатель Стирлинга, относятся к двигателям внешнего сгорания. Топливо в таких машинах сгорает за пределами рабочего цилиндра.

Существуют одноцилиндровые и многоцилиндровые двигатели внутреннего сгорания.

По количеству тактов работы двигателя, умещающихся в рабочий цикл, выделяют

  • двухтактные и
  • четырехтактные двигатели.

Как устроен одноцилиндровый ДВС

Рассмотрим, какие части включает в себя одноцилиндровый двигатель (рис. 4).

Рис. 4. Основные части двигателя внутреннего сгорания

Основными частями являются цилиндр и поршень, который может двигаться внутри цилиндра поступательно. Над рабочей поверхностью поршня располагается свеча. В пространство между поршнем и свечой помещаются смесь паров топлива и воздуха. Такой газ называют рабочим телом. Электрическая свеча зажигания вызывает процесс горения топливовоздушной смеси.

Впуск воздуха и паров топлива и выпуск сгоревших газов осуществляется двумя клапанами, которые так и называют – впускным и выпускным.

А шатун соединяет поршень и коленчатый вал. С помощью такого соединения возвратно-поступательное движение поршня преобразовывается во вращательное движение коленчатого вала.

Для эффективной работы двигателя необходимо открывать и закрывать каждый клапан и подавать электричество к свече в нужные моменты времени. Поэтому, клапаны, поршень и свеча работают согласованно. Согласованность их работы реализована с помощью кулачкового механизма и различных датчиков, которые на рисунке не показаны.

Что такое мертвая точка и ход поршня

Вначале познакомимся с понятиями мертвых точек и рабочего хода. Это поможет разобраться, из каких частей состоит рабочий цикл двигателя.

Две мертвые точки — это крайние положения поршня. В этих положениях поршень меняет направление движения на противоположное. Выделяют две мертвые точки – верхнюю и нижнюю (рис. 5). Расстояние между ними называют ходом поршня.

Расстояние между мертвыми точками образует ход поршня

Что происходит внутри цилиндра при работе ДВС

При работе двигателя в цилиндре периодически происходит сгорание смеси топлива и воздуха, а, так же, производится выброс отработанных газов.

Сжатые поршнем газы загораются от электрической искры. Температура горения поднимается до 1800 градусов Цельсия. Поэтому, каждый двигатель внутреннего сгорания дополнительно содержит систему охлаждения.

Раскаленные газы расширяются, давление на поршень и стенки цилиндра резко возрастает. Это давление с силой толкает поршень, приводя его в движение. Усилие передается с поршня на шатун и далее на коленчатый вал, вращая его.

Примечание: Раскаленные газы обладают большим запасом внутренней энергии. Расширяясь, газы охлаждаются, при этом часть их внутренней энергии переходит в механическую работу.

Таким образом, энергия топлива преобразуется во вращение коленчатого вала.

Этапы работы четырехтактного ДВС

Теперь перейдем к рассмотрению рабочего цикла двигателя. Весь рабочий цикл состоит из четырех тактов — движений поршня. Двух движений вверх и двух — вниз. Поэтому двигатель называют четырехтактным. Каждому движению поршня вверх, или вниз соответствует половина оборота коленчатого вала (рис. 6).

Рис. 8. Четыре такта работы двигателя внутреннего сгорания

Первый такт – впрыск топлива

Сначала поршень движется вниз (рис. 6а). При этом между поршнем и клапанами создается область пониженного давления. Поэтому, когда открывается впускной клапан, пары топлива и воздух засасываются внутрь цилиндра. Сдвигаясь, поршень через шатун приводит во вращение коленчатый вал, снабженный утяжеляющим его маховиком. Первый такт заканчивается в момент достижения поршнем нижней мертвой точки.

Второй такт – сжатие топливовоздушной смеси

Коленчатый вал продолжает вращение по инерции и увлекает поршень с помощью шатуна.  Теперь поршень движется вверх (рис. 6б). Он сжимает смесь топлива и воздуха, находящуюся в объеме над ним. Давление над поршнем повышается и газ разогревается. Процесс сжатия заканчивается в верхней мертвой точке.

Третий такт – рабочий ход

В момент, когда поршень проходит верхнюю мертвую точку и начинает движение вниз (рис. 6в), на свечу зажигания подается высокое электрическое напряжение. Между рабочими электродами свечи проскакивает искра. Эта искра поджигает смесь паров топлива и воздуха. Температура газов поднимается почти до двух тысяч градусов. Давление раскаленного газа на стенки цилиндра и поршень возрастает в тысячи раз. Сила давления толкает поршень, он движется к нижней мертвой точке. Раскаленные газы расширяются и охлаждаются. При этом, они двигают поршень вниз, то есть, совершают механическую работу. Отсюда и название такта – рабочий ход.

Четвертый такт – выброс отработавших газов в окружающую среду

В момент, когда поршень минует нижнюю мертвую точку и, вращение коленчатого вала с помощью шатуна увлекает его вверх (рис. 6г), открывается выпускной клапан. Отработанные газы покидают цилиндр. Это продолжается до момента, когда поршень достигнет верхней мертвой точки. В этот момент полный цикл работы завершается. Двигатель готов к началу нового четырехтактного процесса.

Во время второго и третьего тактов впускной и выпускной клапаны закрыты. Впускной клапан открыт во время первого такта, выпускной – во время четвертого.

Двухтактные ДВС и их особенности

Двигатель называют двухтактным, когда полный цикл его работы совершается за два хода поршня – такта. Пока поршень совершает два хода, коленчатый вал совершает один оборот.

Сжатие и рабочий ход происходят аналогично четырехтактному двигателю. Отличие заключается в процессах впрыска и выпуска отработанных газов. Эти процессы происходят совместно и в течение короткого времени, покуда поршень проходит нижнюю мертвую точку.

Впрыск топливовоздушной смеси и выпуск отработанных газов называется продувкой цилиндра.

Изобрел двухтактный двигатель инженер из Шотландии Д. Клерк в 1881 году.  Джозеф Дей и Ф. Кок спустя десять лет в Англии усовершенствовали конструкцию. Двумя годами ранее — в 1879 году, свой двухтактный двигатель независимо от них построил Карл Бенц.

Количество нерабочих ходов поршня в два раза меньше, по сравнению с четырехтактным двигателем. Поэтому потери на трение сократились в два раза.

Но главное преимущество двухтактного двигателя в том, что он обладает в полтора раза большей мощностью при одинаковых с четырехтактным двигателем объемом цилиндра и оборотах двигателя.

Благодаря этому двухтактные двигатели используются на средних и тяжелых морских судах и в авиации. Вал двигателя с валом гребного винта, или воздушным винтом, соединяется без редуктора. В судостроении используют тяжелые малооборотные двигатели. А в конструкциях самолетов, в основном двухтактные роторные двигатели.

Некоторые модели мотоциклов, малолитражных автомобилей, грузовиков и автобусов, так же, оснащаются двухтактными двигателями внутреннего сгорания.

Основной недостаток таких двигателей заключается в том, что их детали работают при более высоких температурах. Это вызывает сокращение срока службы. А в мощных двигателях требует дополнительного охлаждения поршней.

Еще один недостаток заключается в одновременном впрыске топлива и выпуска отработанных газов. При этом пары топлива смешиваются с отработанными газами, полностью исключить такое смешивание не получается. Из-за этого снижается эффективность сжигания топлива в цилиндрах таких двигателей.

Преимущества многоцилиндровых двигателей и их устройство

В многоцилиндровых двигателях топливо воспламеняется в различные моменты времени последовательно в нескольких цилиндрах. При этом рабочий вал двигателя вращается более равномерно, ему передается больше энергии. Это позволяет повысить мощность двигателя.

В мопедах и скутерах чаще всего используют одноцилиндровые двигатели (рис. 7).

Рис. 7. Двигатели внутреннего сгорания могут иметь не один цилиндр, а несколько

В мотоциклах – двухцилиндровые. В легковых автомобилях — четырехцилиндровые двигатели. А грузовые автомобили, большие тракторы и спецтехника могут оснащаться восьмицилиндровыми двигателями. Более мощная и грузоподъемная техника, а, так же, речные и морские суда, оснащаются двигателями, имеющими, двенадцать, шестнадцать и, более цилиндров.

Рабочий вал многоцилиндрового двигателя вращается более равномерно и получает энергию от нескольких поршней. Поэтому многоцилиндровые двигатели имеют повышенную мощность.

В сложных двигателях цилиндры располагают, поворачивая один относительно другого на различные углы (рис. 8).

Рис. 8. Несколько цилиндров в двигателе располагают, поворачивая их на различные углы один относительно другого

Имеются такие конструкции двигателей:

  • V-образные, в которых цилиндры располагаются в виде латинской буквы V;
  • рядные, когда несколько цилиндров располагают в ряд один за другим;
  • оппозитные, в которых одни цилиндры развернуты на 180 градусов по отношению к другим цилиндрам и поршни одновременно проходят либо верхнюю, либо нижнюю мертвую точку, двигаясь в противоположные стороны;
  • роторные, несколько цилиндров в них располагаются в виде многолучевой звезды, такие двигатели применяются в авиации.

Примечания:

  1. Существуют V-образные двигатели, в которых цилиндры развернуты на 180 градусов. При этом, когда один поршень проходит свою верхнюю мертвую точку, соседний поршень проходит свою нижнюю точку.
  2. В оппозитных двигателях оба поршня двигаются в противоположные стороны — либо расходятся максимально далеко, либо максимально сближаются. Двигаясь, поршни одновременно проходят либо верхнюю, либо нижнюю мертвую точку. Поэтому двигатель называется оппозитным.

Паровая турбина

Турбина от двигателя внутреннего сгорания отличается более простым устройством. Основная сложность при изготовлении турбин заключается в создании легких, прочных и эффективных лопаток, приводящих в движение диски и рабочий вал.

Тепловой двигатель, в котором вал двигателя вращается без помощи поршня, шатуна и коленчатого вала, называется паровой турбиной.

Устройство турбины отличается простой конструкцией (рис. 9).

Рис. 9. Турбина состоит из диска с лопатками, рабочего вала и сопел

На вал насажен диск, содержащий на ободе лопатки. На эти лопатки направлены сопла, из них под большим давлением в сторону лопаток подается горячий газ или пар, который вращает лопасти и приводит в движение диск турбины и вал двигателя.

Современные турбины содержат несколько дисков с лопастями, находящихся на общем валу. Пар последовательно проходит лопатки нескольких дисков и каждому передает часть своей энергии. Это повышает эффективность турбины.

В качестве двигателей турбины применяются на больших судах.

Частота вращения турбин может достигать нескольких тысяч оборотов в минуту. На электростанциях вал турбины соединяется с генератором тока, благодаря чему механическая энергия вращения турбины преобразуется в электрическую энергию.

В России изготавливают турбины мощностью до 1,2 миллиардов Ватт.

Выводы

  1. Расширяясь, газ может совершать работу.
  2. Тепловой двигатель — это устройство, которое преобразует внутреннюю энергию газа в механическую энергию.
  3. Двигатель внутреннего сгорания (ДВС) — самый распространенный вид двигателя, жидкое или газообразное топливо в таком двигателе сгорает внутри цилиндра.
  4. Существуют одноцилиндровые или многоцилиндровые ДВС.
  5. Простейший одноцилиндровый ДВС состоит из цилиндра и поршня, свечи зажигания, впускного и выпускного клапанов, шатуна, коленчатого вала с маховиком. Клапаны, поршень и свеча работают согласованно.
  6. Крайние положения поршня называют мертвыми точками — верхней и нижней. Поршень в этих точках меняет направление движения на противоположное.
  7. Ход поршня – это расстояние между мертвыми точками.
  8. С помощью шатуна возвратно-поступательное движение поршня преобразовывается во вращательное движение коленчатого вала.
  9. Через впускной клапан в цилиндр подается смесь топлива и воздуха.
  10. Электрическая свеча зажигает сжатые пары топлива и воздуха.
  11. Выпускной клапан выводит сгоревшие газы из цилиндра.
  12. Два движения поршня вверх и два движения вниз образуют четыре такта работы двигателя: впуск, сжатие, рабочий ход и выпуск.
  13. За время каждого движения поршня вверх, или вниз коленчатый вал совершает половину оборота.
  14. Многоцилиндровые двигатели имеют повышенную мощность, так как рабочий вал двигателя получает энергию от нескольких поршней.
  15. Двухтактные ДВС при одинаковых с четырехтактными двигателями объеме цилиндра и количеству оборотов коленвала, обладают повышенной в 1,5 раза мощностью, но меньшим сроком службы из-за перегрева.
  16. Турбины проще ДВС, они содержат несколько дисков с лопастями, насаженных на общий вал. Пар из сопел проходит лопатки нескольких дисков и заставляет вал вращаться. Мощность таких турбин может достигать 1,2 миллиардов Ватт.

Тепловые двигатели. Термодинамические циклы. Цикл Карно

Устройство, имеющее способность преобразовывать полученную теплоту в механическую работу носит название теплового двигателя. В таких машинах механическая работа совершается в процессе расширения вещества, называющегося рабочим телом. Его роль обычно исполняют газообразные вещества, вроде паров бензина, воздуха и водяного пара.

Определение 1

Рабочее тело приобретает или отдает тепловую энергию при теплообмене с телами, которые имеют внушительный запас внутренней энергии. Такие тела называют тепловыми резервуарами.

Исходя из первого закона термодинамики, можно сделать вывод, что полученное газом количество теплоты Q полностью преобразуется в работу A в условиях изотермического процесса, при котором внутренняя энергия не претерпевает изменений (ΔU=0): 

A=Q

Однако, подобный однократный акт превращения теплоты в работу для техники не представляет интереса. Существующие тепловые двигатели, такие как паровые машины, двигатели внутреннего сгорания и им подобные, работают циклически. Необходимо периодическое повторение процесса теплопередачи и преобразования полученной теплоты в работу. Чтобы данное условие выполнялось, рабочее тело должно совершать круговой процесс или же термодинамический цикл, при котором исходное состояние с периодически восстанавливается. На рисунке 3.11.1 в виде диаграммы (p, V) газообразного рабочего тела с помощью замкнутых кривых проиллюстрированы круговые. В условиях расширения газ производит положительную работу A1, эквивалентную площади под кривой abc. При сжатии газ совершает отрицательную работу A2, равную по модулю площади под кривой cda. Полная работа за цикл A=A1+A2 на диаграмме (p, V) равняется площади цикла. Работа A положительна, в том случае, если цикл проходит по часовой стрелке, и A отрицательна, когда цикл проходит в противоположном направлении.

Рисунок 3.11.1. Круговой процесс на диаграмме (p, V). abc – кривая расширения, cda – кривая сжатия. Работа A в круговом процессе равна площади фигуры abcd.

Все круговые процессы обладают общей чертой. Они не могут привестись в действие при контакте рабочего тела только с одним тепловым. Их минимальное число должно быть равным двум.

Определение 2

Тепловой резервуар, обладающий более высоким значением температуры, носит название нагревателя, а с более низким – холодильника.

Рабочее тело при совершении кругового процесса получает от нагревателя некоторую теплоту Q1>0 и теряет, отдавая холодильнику, количество теплоты Q2<0. Для полного полученного рабочим телом за цикл количества теплоты Q справедливо следующее выражение:

Q=Q1+Q2=Q1-Q2.

Совершая цикл, рабочее тело приходит в свое первоначальное состояние, из чего можно сделать вывод, что изменение его внутренней энергии равняется ΔU=0. Основываясь на первом законе термодинамики, запишем: 

∆U=Q-A=0.

Из этого следует: 

A=Q=Q1-Q2.

Работа A, которую рабочее тело совершает за цикл, эквивалентна полученному за этот же цикл количеству теплоты Q.

Определение 3

Коэффициентом полезного действия или же КПД η теплового двигателя называют отношение работы A к полученному рабочим телом за цикл от нагревателя количеству теплоты Q1, то есть:

η=AQ1=Q1-Q2Q1.

Рисунок 3.11.2. Модель термодинамических циклов.

Коэффициент полезного действия теплового двигателя демонстрирует, какая доля тепловой энергии, которую получило рабочее тело от нагревателя, преобразовалась в полезную работу. Оставшаяся часть (1–η) была без пользы передана холодильнику. Коэффициент полезного действия тепловой машины не может быть больше единицы η<1. На рисунке 3.11.3 проиллюстрирована энергетическая схема тепловой машины.

Рисунок 3.11.3. Энергетическая схема тепловой машины: 1 – нагреватель; 2 – холодильник; 3 – рабочее тело, совершающее круговой процесс. Q1>0, A>0, Q2<0; T1>T2.

Виды тепловых двигателей

В технике свое применение находят двигатели, использующие круговые процессы. Рисунок 3.11.3 демонстрирует нам циклы, применяемые в бензиновом карбюраторном и в дизельном двигателях. Они оба в качестве рабочего тела используют смесь паров бензина или дизельного топлива с воздухом. Цикл карбюраторного двигателя внутреннего сгорания включает в себя две изохоры (1–2, 3–4) и две адиабаты (2–3, 4–1), дизельного двигателя -две адиабаты (1–2, 3–4), одну изобару (2–3) и одну изохору (4–1). Реальный КПД (коэффициент полезного действия) у карбюраторного двигателя составляет около 30 %, у дизельного двигателя – приблизительно 40 %.

Рисунок 3.11.4. Циклы карбюраторного двигателя внутреннего сгорания (1) и дизельного двигателя (2).

Нужна помощь преподавателя?

Опиши задание — и наши эксперты тебе помогут!

Описать задание

Цикл Карно

Круговой процесс, изображенный на рисунке 3.11.5, состоящий из двух изотерм и двух адиабат был назван циклом Карно в честь открывшего его в 1824 году французского инженера. Данное явление впоследствии оказало колоссальное влияние на развитие учения о тепловых процессах.

Рисунок 3.11.5. Цикл Карно.

Находящийся в цилиндре, под поршнем, газ совершает цикл Карно. На участке изотермы (1–2) он приводится в тепловой контакт с нагревателем, обладающим некоторой температурой T1. Газ изотермически расширяется, при этом к нему подводится эквивалентное совершенной работе A12количество теплоты Q1=A12. После этого на участке адиабаты (2–3) газ помещается в адиабатическую оболочку и продолжает процесс расширения при отсутствующем теплообмене. На данной части цикла газ совершает работу A23>0. Его температура при адиабатическом расширении снижается до величины T2. На идущем следующим участке изотермы (3–4) газ приводится в тепловой контакт с холодильником в условиях температуры T2<T1. Производится процесс изотермического сжатия. Газом совершается некоторая работа A34<0 и отдается тепло Q2<0, эквивалентное произведенной им работе A34. Его внутренняя энергия не претерпевает изменений. На последнем оставшемся участке адиабатического сжатия газ снова помещают в адиабатическую оболочку. При сжатии его температура вырастает до величины T1, также совершается работа A41<0. совершаемая газом за цикл полная работа A эквивалентна сумме работ на отдельных участках: 

A=A12+A23+A34+A41.

На диаграмме (p, V) данная работа равняется площади цикла.

Процессы на любом из участков цикла Карно квазистатичны. Например, оба участка 1–2 и 3–4, относящихся к изотермическим, производятся при пренебрежительно малой разности температур рабочего тела, то есть газа, и теплового резервуара, будь то нагреватель или холодильник.

Исходя из первого закона термодинамики, можно заявить, что работа газа в условиях адиабатического расширения или сжатия эквивалентна падению значения ΔU его внутренней энергии. Для 1 моля газа верно следующее выражение:

A=-∆U=-CV(T2-T1),

в котором T1 и T2 представляют собой начальную и конечную температуры рабочего тела.

Из этого следует, что работы, совершаемые газом на двух адиабатических участках цикла Карно, противоположны по знакам и одинаковы по модулю:

A23=-A41.

Коэффициент полезного действия η цикла Карно может рассчитываться с помощью следующих соотношений: 

η=AQ1=A12+A34Q12=Q1-Q2Q1=1-Q2Q1.

С. Карно выразил коэффициент полезного действия цикла через величины температур холодильника T2и нагревателя T1: 

η=T1-T2T1=1-T2T1.

Цикл Карно примечателен тем, что ни на одном из его участков тела, обладающие различными температурами, не соприкасаются. Любое состояние рабочего тела в цикле является квазиравновесным, что означает его бесконечную близость к состоянию теплового равновесия с окружающими объектами, то есть тепловыми резервуарами или же термостатами. В цикле Карно исключен теплообмен в условиях конечной разности температур рабочего тела и окружающей среды (термостатов), если тепло имеет возможность переходить без совершения работы. По этой причине любые другие возможные круговые процессы проигрывают ему в эффективности при заданных температурах нагревателя и холодильника: 

ηКарно=ηmax

Рисунок 3.11.6. Модель цикла Карно.

Каждый участок цикла Карно и цикл в целом могут проходиться в обоих направлениях.

Определение 4

Обход цикла по часовой стрелке соответствует тепловому двигателю, в котором полученное рабочим телом тепло частично преобразуется в полезную работу. Обход против часовой стрелки соответствует холодильной машине, где некое количество теплоты отходит от холодного резервуара и передается горячему резервуару за счет совершения внешней работы. Именно поэтому идеальное устройство, работающее по циклу Карно, носит название обратимой тепловой машины.

В реально существующих холодильных машинах применяются разные циклические процессы. Любой холодильный цикл на диаграмме (p, V) обходятся против часовой стрелки. На рисунке 3.11.7 проиллюстрирована энергетическая схема холодильной машины.

Рисунок 3.11.7. Энергетическая схема холодильной машины. Q1<0, A>0, Q2 > 0, T1>T2.

Работающее по холодильному циклу устройство может обладать двояким предназначением.

Определение 5

Если полезным эффектом является отбор некоторого количества тепла Q2 от охлаждаемых тел, к примеру, от продуктов в камере холодильника, то такое устройство является обычным холодильником.

Эффективность работы холодильника может быть охарактеризована следующим отношением: 

βx=Q2A.

Таким образом, эффективность работы холодильника представляет собой количество тепла, отбираемого от охлаждаемых тел на 1 джоуль затраченной работы. В условиях подобного определения βх может быть, как больше, так и меньше единицы. Для обращенного цикла Карно справедливо выражение:

βx=T2T1-T2.

Определение 6

В случае, когда полезным эффектом является передача некоего количества тепла
|Q1| нагреваемым телам, чьим примером может выступать воздух в помещении, то такое устройство называется тепловым насосом.

Эффективность βТ теплового насоса может быть определена с помощью отношения: 

βт=Q1A.

То есть она может определяться количеством теплоты, передаваемым более теплым телам на 1 джоуль затраченной работы. Из первого закона термодинамики следует: 

Q1>A.

Следовательно, βТ всегда больше единицы. Для обращенного цикла Карно справедливо следующее выражение:

βт=1η=T1T1-T2.

§ 17. Некоторые виды тепловых двигателей » Народна Освіта

История промышленного применения тепловых двигателей начинается с паровой машины, созданной английским ученым Джеймсом Уаттом в 1768 г. (рис. 17.1). С 1776 г. усовершенствованные машины Уатта начали широко применяться на шахтах и металлургических заводах Англии. В XX в. на смену первым паровым машинам пришли современные двигатели внутреннего сгорания, паровые и газовые турбины, реактивные двигатели. из этого параграфа вы узнаете, как работают некоторые из них.

Изучаем устройство и принцип действия паровой турбины

 

Паровая турбина (от латин. turbo — вихрь, быстрое вращение) — один из примеров паровых тепловых двигателей.

В паровых двигателях энергия, выделяющаяся при сгорании топлива, идет на образование водяного пара и его нагревание, а уже затем нагретый пар, расширяясь, выполняет механическую работу.

Таким образом, рабочим телом паровой турбины служит пар. Его получают из воды и в специальных паровых котлах нагревают до температуры около 600 °С. Из котла пар под высоким давлением поступает в турбину.

Что, по вашему мнению, служит холодильником во время работы турбины?

Рассмотрим устройство и принцип действия простейшей паровой турбины (рис. 17.2). Струи пара, вырываясь из сопел (1), падают на лопатки (2), расположенные на диске (3). Сам диск неподвижно закреплен на валу (4) турбины. Под давлением пара диск турбины, а значит, и вал вращаются, — пар выполняет работу (рис. 17.3).

Паровые турбины широко используют на электростанциях, где механическая энергия вращения турбины преобразуется в электрическую. На транспорте паровые турбины не получили широкого применения в основном из-за больших габаритов.

знакомимся с устройством двигателя внутреннего сгорания

Один из самых распространенных тепловых двигателей, используемых в транспортных средствах, — четырехтактный двигатель внутреннего сгорания, сконструированный немецким изобретателем Николаусом Отто (рис. 17.4).

При работе двигателя внутреннего сгорания топливо сгорает непосредственно внутри его цилиндров, отсюда и название двигателя. Эти двигатели работают на газе или жидком топливе.

Двигатель внутреннего сгорания (рис. 17.5) состоит из цилиндра (1), в котором перемещается поршень (2). Внутри поршня шарнирно закреплен шатун (3). Шатун, в свою очередь, соединен с коленчатым валом (4), который, вращаясь, обеспечивает вращение тяговых колес транспортного средства.

 

В верхней части цилиндра имеются два канала, закрытых клапанами (5). Горючая смесь (смесь воздуха с бензином или газом) через впускной клапан поступает в цилиндр; через выпускной клапан выбрасываются отработанные газы. У некоторых двигателей в верхней части цилиндра размещена также свеча зажигания (6) — устройство для зажигания горючей смеси с помощью электрической искры.

Наблюдаем за работой четырехтактного двигателя внутреннего сгорания

Рабочий цикл четырехтактного двигателя внутреннего сгорания с электрическим зажиганием состоит соответственно из четырех тактов (рис. 17.6).

I    такт — всасывание (рис. 17.6, а). Поршень движется вниз, и в цилиндре падает давление. В это время открывается впускной клапан и горючая смесь всасывается в цилиндр. В конце I такта впускной клапан закрывается.

II    такт — сжатие (рис. 17.6, б). Поршень движется вверх и сжимает горючую смесь. Когда поршень достигает крайнего верхнего положения, проскакивает искра и горючая смесь воспламеняется. Оба клапана закрыты.

 

III    такт — рабочий ход (рис. 17.6, в).

 

Топливо горит, и раскаленные газы толкают поршень вниз. Движение поршня передается шатуну, который толкает коленчатый вал и заставляет его вращаться, — двигатель выполняет полезную работу. В конце III такта открывается выпускной клапан.

IV    такт — выпуск (рис. 17.6, г). Поршень движется вверх и через выхлопную трубу выталкивает продукты сгорания в атмосферу. В конце IV такта выпускной клапан закрывается. Выпуск отработанных газов сопровождается передачей некоторого количества теплоты окружающей среде.

Как и в любом тепловом двигателе, в двигателе внутреннего сгорания есть нагреватель (горящая горючая смесь), рабочее тело (раскаленные газы), холодильник (окружающая среда).

За цикл газы толкают поршень только один раз, поэтому для равномерной работы двигателей ставят четыре, шесть и более цилиндров.

В последнее время все чаще применяют дизельные двигатели, названные так в честь немецкого инженера Рудольфа Дизеля (рис. 17.7). Эти двигатели, в частности, не имеют свечей зажигания (топливо воспламеняется от горячего воздуха, нагретого в результате сжатия), могут быть и двухтактными, их КПД выше. У двигателей, описанных выше, КПД составляет 20-25 %, у дизельных — 40 %.

Размышляем о плюсах и минусах использования тепловых двигателей

Если посмотреть на соединения, образующиеся в результате химических реакций горения топлива (см., например, рис. 15.1), создается впечатление, что тепловые машины совершенны, ведь продукты реакции — «обычные» соединения. Действительно, углекислый газ (CO2) входит в состав воздуха, а вода (H2O) есть везде вокруг нас. Эти вещества являются экологически чистыми, то есть не загрязняют природу. Однако не следует делать поспешных выводов.

Во-первых, практически все виды топлива содержат небольшое количество Сульфура, который со временем превращается в ядовитую сульфатную кислоту.

Во-вторых, на тепловых станциях при сгорании угля образуется пепел, часть которого разлетается, загрязняя окружающую среду.

В-третьих, в автомобильных двигателях топливо не всегда сгорает полностью, поэтому в выхлопных газах содержится ядовитый угарный газ (СО).

И это далеко не исчерпывающий перечень!

Загрязнение атмосферы стало проблемой для всего человечества. Как бороться с негативными последствиями использования тепловых двигателей? Существует несколько основных направлений:

1)    уменьшение (или по крайней мере сохранение на стабильном уровне) суммарной мощности тепловых машин. Иными словами, потребители энергии (телевизоры, холодильники, лампы и т. д.) должны использовать меньше энергии;

2)    уменьшение вредных выбросов тепловых электростанций. Для этого применяют, в частности, специальные фильтры;

3)    использование альтернативных источников энергии.

Подводим итоги

Самым давним из применяемых в современной технике тепловых двигателей является паровая турбина. Работу в ней выполняет нагретый пар, который направляется на лопатки турбины и вращает ее.

Еще один пример теплового двигателя — двигатель внутреннего сгорания. В нем топливо сгорает внутри цилиндров, а нагретый воздух, расширяясь, выполняет работу. Рабочий цикл четырехтактного двигателя внутреннего сгорания имеет соответственно четыре такта: всасывание, сжатие, рабочий ход, выпуск.

В последнее время остро стоит проблема загрязнения окружающей среды из-за работы тепловых машин.

Контрольные вопросы    —

1. Какие двигатели называют паровыми? 2. Назовите основные части паровой турбины. 3. Опишите, как работает паровая турбина. 4. Что в паровой турбине служит нагревателем? холодильником? рабочим телом? 5. Почему двигатель внутреннего сгорания имеет такое название?

6. Назовите основные части двигателя внутреннего сгорания, опишите их назначение. 7. Какие процессы происходят в четырехтактном двигателе внутреннего сгорания во время каждого из четырех тактов? 8. Докажите, что тепловые двигатели оказывают негативное влияние на окружающую среду. Как решают эту проблему?

Упражнение № 17

1.    Какие преобразования энергии происходят во время работы паровой турбины?

2.    КПД лучших дизельных двигателей с системой турбонадува и промежуточным охлаждением достигает 54,5 %. Какая часть энергии, «запасенной» в топливе, при работе этих двигателей тратится бесполезно?

3.    Почему при сжатии горючей смеси в цилиндре дизельного двигателя температура этой смеси увеличивается?

4.    Почему в паровой турбине температура отработанного пара ниже температуры пара, поступающего на лопатки турбины?

5.    Несмотря на недостатки, тепловые двигатели являются самыми распространенными. Почему, по вашему мнению, люди отдают преимущество именно им?

Эффективность теплового двигателя и примеры | Что такое Тепловой двигатель? — Видео и расшифровка урока

Тепловая машина

Что такое тепловая машина? Тепловая машина представляет собой устройство, преобразующее теплоту в механическую работу. Примеры тепловых двигателей включают двигатели внутреннего сгорания, реактивные двигатели и паровые турбины. Все эти двигатели используют тепло для извлечения полезной механической работы.

Развитие современной тепловой машины прошло несколько этапов. Первым письменным упоминанием об устройстве, использующем для движения тепло, является Двигатель Героя, также известный как Эолипил.Говорят, что он был изобретен Героем, или Героном Александрийским, между 10 и 70 годами нашей эры. В нем использовалось несколько паровых струй, чтобы заставить вращаться безлопастную паровую турбину. Томас Савери изобрел первый успешный паровой двигатель в 1698 году. В его устройстве использовался пар под давлением, чтобы заставить воду подниматься вверх. Его устройство было полезно в шахтах, где часто встречалась вода. Однако паровой насос Савери был крайне неэффективным и был подвержен взрывам котлов. Он был улучшен Томасом Ньюкоменом, который изобрел атмосферный двигатель Ньюкомена в 1712 году.Вместо пара под давлением максимальное давление пара, которое он использует, близко к атмосферному давлению. В нем также используется паровой поршень, который приводит в движение деревянную балку и приводит в действие водяной насос.

Модель паровой машины Томаса Ньюкомена.

Двигатель Ньюкомена был позже усовершенствован Джеймсом Уаттом в 1765 году, когда он создал отдельный конденсатор для повышения эффективности двигателя. Он постоянно улучшал свою конструкцию и даже включил вращающиеся лопасти, расширив область применения, выйдя за рамки перекачивания воды.Его современный двигатель внес значительный вклад в роль парового двигателя во время промышленной революции.

Принципиальная схема паровой машины, разработанной Джеймсом Уаттом.

Первый успешный двигатель внутреннего сгорания был изобретен Николаусом Августом Отто в 1876 году, когда автомобили стали использовать нефть и газ. В его изобретении использовался один цилиндр, в котором использовался четырехтактный или четырехтактный двигатель для воспламенения газа внутри поршня.Его принцип работы сегодня широко используется в автомобилях и других двигателях.

Как работает тепловой двигатель?

В предыдущем разделе обсуждалось определение тепловой машины. Но как работает тепловой двигатель? Тепловая машина работает с использованием рабочего вещества, такого как вода или бензин, для преобразования тепла в работу. Механическая энергия, которая может быть преобразована в полезную работу, может быть получена только при передаче тепла от высокотемпературного резервуара к низкотемпературному резервуару.Однако не вся подведенная теплота будет преобразована в полезную работу; так как часть тепла выделяется в холодный резервуар.

Двигатель состоит из трех основных компонентов: рабочего тела, горячего резервуара и холодного резервуара. Рабочее вещество , которое может быть жидким или газообразным, обеспечивает работу двигателя. Горячий резервуар является источником подвода тепла, в то время как холодный резервуар является источником тепловыделения или избыточного тепла. В автомобильном двигателе, например, рабочим телом является газовоздушная смесь, горячим резервуаром является горящее топливо, а холодным резервуаром является среда, в которой выделяются сгоревшие газы.

Идеальный двигатель под названием Двигатель Карно — это теоретический двигатель, работающий с максимальной эффективностью. Его сформулировал французский ученый Сади Карно (1796-1832). Он состоит из четырех термодинамических процессов, рассматриваемых как обратимые процессы. Все эти процессы протекают медленно, поэтому их можно обратить вспять без изменения величины работы и теплообмена. Отметим, что в реальных двигателях происходят необратимые процессы из-за трения, турбулентности газа и других факторов.

Схема теплового двигателя

На приведенной схеме теплового двигателя показано, как энергия передается в тепловом двигателе. Есть два резервуара с разными температурами: высокотемпературный резервуар {eq}T_{H} {/eq} и низкотемпературный резервуар {eq}T_{C} {/eq}. Высокотемпературный резервуар обеспечивает подведение тепла {eq}Q_{H} {/eq}, которое затем частично преобразуется в механическую работу Вт посредством двигателя. Часть подводимого тепла частично отводится в виде отработанного тепла {eq}Q_{L} {/eq} в низкотемпературный резервуар.Направление энергии показано стрелками.

Направление энергии в тепловой машине

Примеры тепловых двигателей

Примеры тепловых двигателей включают паровые двигатели, используемые в локомотивах и пароходах, и двигатели внутреннего сгорания, используемые в автомобилях.

Паровой двигатель

Паровые двигатели используют пар, получаемый при сжигании угля, нефти или газа. Образовавшийся пар поступает во впускной клапан и позволяет поршню в двигателе двигаться.Движение двигателя производит полезную механическую работу. Когда поршень возвращается в исходное положение, газы выходят из выпускного клапана. Затем он охлаждается и конденсируется в низкотемпературном резервуаре. Затем вода может быть повторно использована и снова нагрета, чтобы начать следующий цикл. Вода в данном случае является рабочим веществом.

Пример паровоза с паровым двигателем.

Двигатель внутреннего сгорания

Другим примером теплового двигателя является двигатель внутреннего сгорания, для завершения цикла которого обычно требуется четыре такта.

Двигатели внутреннего сгорания используются в большинстве автомобилей; а горение газовоздушной смеси воспламеняется в самом цилиндре. На схеме показаны четыре этапа работы двигателя внутреннего сгорания. При движении поршня вниз газовоздушная смесь поступает во впускной клапан. Затем смесь сжимается по мере движения поршня вверх. Свеча зажигания воспламеняет сжатый воздух и заставляет газ достигать высокой температуры. После этого газ расширяется и заставляет поршень двигаться вниз.Когда он снова движется вверх, сгоревшие газы выталкиваются из выпускного клапана. Цикл повторяется по мере поступления в цилиндр новой порции газовоздушной смеси. В этом двигателе в качестве рабочего тела используется бензин.

Четырехтактный цикл двигателя внутреннего сгорания.

Эффективность, двигатель Карно, типы, детали

Что такое тепловой двигатель?

Тепловая машина может быть описана как устройство, преобразующее химическую энергию топлива в тепловую энергию, которая используется для выполнения другой работы.Тепловая машина преобразует заблокированную энергию топлива в силу и движение.

Используемые виды топлива: уголь, бензин, природный газ, древесина и торф. При сгорании в двигателе они высвобождают накопленную энергию, используемую для питания локомотивов и заводского оборудования. Отсюда и название тепловая машина, так как при сгорании топлива выделяется накопленное тепло.

Класс 11 Физика Термодинамика: важные вопросы

Функции тепловой машины

Работа тепловой машины заключается в преобразовании тепловой энергии в полезную механическую работу.

Это можно сделать, взяв рабочее вещество. Сначала его нагревают до высокой температуры, а затем охлаждают. Таким образом, мы можем извлечь выгоду из тепловой машины. Независимо от вида тепловых двигателей и циклов, единственной основной функцией тепловой системы является преобразование тепловой энергии в полезную механическую работу.

Типы нагревательных двигателей

Отопительные системы бывают двух видов, первыми из которых являются двигатели внутреннего сгорания, а другими — двигатели внешнего сгорания.

Двигатель внутреннего сгорания

Двигатель внутреннего сгорания включает сжигание топлива в системе, т. е. эти двигатели работают, когда топливо сжигается в двигателе или когда происходит сжигание ископаемого топлива. Двигатель внутреннего сгорания работает по принципу цикла Отто, и устройство, необходимое во время этой процедуры, обычно представляет собой поршень.

  • Поршень отвечает за подачу топливно-воздушной смеси в тепловую машину, что является самым первым этапом процесса.Эти поршни вращаются вертикально внутри цилиндров тепловых двигателей. Это однократное движение поршня вверх или вниз внутри цилиндра известно как ход .
  • На втором этапе смесь чрезвычайно адиабатически сжимается.
  • На третьем этапе проходит процесс воспламенения, при котором резко повышается величина давления и температуры.
  • С ростом температуры поршень снова очищает газы по мере расширения процесса.

Двигатель внешнего сгорания

Эти тепловые двигатели работают, когда топливо сжигается вне двигателя или где сгорание топлива происходит вне двигателя. Здесь внутреннее рабочее тело нагревается за счет внешнего сгорания через стенку двигателя. За счет расширения и работы над механизмом двигателя это приводит к движению, создаваемому жидкостью, и полезной работе.

  • Как и в двигателе внутреннего сгорания, здесь также поршень отвечает за всасывание топливно-воздушной смеси в тепловой двигатель и ее подачу в первый цилиндр.
  • Газ в первом цилиндре нагревается до высокой температуры, что приводит к повышению давления. Его снова собирает Поршень, который превращает его в работу. Затем он перемещается в другой цилиндр.
  • Газ отличается от предыдущего уровня и тоже прямолинеен.
  • Теперь здесь будет выполняться операция охлаждения газа. Холодный резервуар помогает охлаждать газ перед его сжатием.
  • Наконец, сжатый газ возвращается в исходную камеру, где он собирается и преобразуется в производительную работу с помощью поршня.

Идеальная система отопления

Идеальная система отопления – это система, в которой все процессы выполняются циклически. Это означает, что где бы он ни останавливался снова, он заканчивается с этой самой точки. Идеальная система отопления включает в себя все обратимые процессы. Двигатель Карно является примером идеальной системы отопления.

Тепловой двигатель: детали

Оборудование теплового двигателя состоит из трех основных компонентов, каждый из которых служит для преобразования тепловой энергии в механическую работу.

Источник (высокая температура)

Является основным компонентом тепловой машины.

Иногда его называют горячим телом, поскольку основная функция тепловой машины заключается в преобразовании тепла в механическую работу. В результате источник подается в устройство для сбора тепла. Он всегда поддерживается с неограниченной теплоемкостью, что позволяет ему оставаться стабильным даже после создания значительного количества тепла.

Рабочий объект

Количество тепла, подаваемого к горячему источнику, будет собираться этим функционирующим материалом, которое может варьироваться.Функция же, с другой стороны, состоит в том, чтобы собирать из горячего источника и передавать его в сток.

Поглотитель тепла (при более низкой температуре)

Это полностью противоречит первому разделу, который является источником. Он просто имеет ограниченную тепловую способность и поглощает тепло от рабочего тела, кроме того, он также способствует сохранению механической работы, полученной от рабочего тела. Однако это не позволяет ему подвергаться влиянию внешних температур.

Тепловая машина: Механизм

Базовая тепловая машина состоит из газа, содержащегося в цилиндре с помощью поршня.При нагревании газ расширяется, толкая поршень. Это немыслимо в реальном двигателе, так как движение прекращается, когда газ достигает равновесия.

В работающем двигателе поршень совершает циклические движения вперед и назад. При нагревании газа поршень движется вверх, а при охлаждении – вниз. Можно сказать, что для движения поршня вперед и назад требуется цикл нагревания и охлаждения.

Три основных момента всего цикла теплового двигателя:

  1. Поскольку тепло вводится в относительно высокой степени, он обозначается как Q H .
  2. Некоторая часть энергии, известная как добавленная энергия, используется для выполнения работы/задач.
  3. Наконец, оставшаяся или неиспользованная энергия удаляется относительно при низкой температуре, обозначаемой как Q C .

КПД тепловых двигателей

КПД теплового двигателя является важным показателем, поскольку он отражает, сколько полезной работы мы получаем на выходе двигателя, когда мы используем то же количество тепловой энергии, что и на входе. Давайте поговорим в математических терминах.

Предположим, что двигатель забирает тепло (Q1) из горячего резервуара с температурой (T1) и отдает тепло (Q2) в холодный резервуар с температурой (T2), тем самым совершая работу W в окружающую среду.

Эффективность теплового двигателя: η = 1- Q 2 / Q 1 1

, где η = W / Q 1

Обратите внимание, что:

  • Q 1 = подвод тепла за 1 цикл
  • Q 2 = работа, выполненная за 1 цикл.

Примечание: Не существует тепловой машины со 100% КПД. Всегда есть определенная потеря тепла в окружающей среде.

Что следует помнить

  • Тепловой двигатель — это устройство, преобразующее тепло в механическую энергию.
  • Системы отопления бывают двух типов: двигатели внутреннего сгорания и двигатели внешнего сгорания.
  • В двигателе внутреннего сгорания топливо сжигается внутри системы. Двигатели работают, когда топливо сгорает в двигателе.
  • Двигатель внешнего сгорания – это двигатель, в котором топливо сжигается вне двигателя или где сгорание топлива происходит вне двигателя.
  • Двигатель Карно — идеальная тепловая машина, работающая по принципу обратимого замкнутого термодинамического цикла. Его четыре последовательные операции включают изотермическое расширение, адиабатическое расширение, изотермическое сжатие и адиабатическое сжатие
  • Оборудование тепловой машины состоит из трех основных компонентов: источник (высокая температура), рабочий объект и поглотитель тепла (низкая температура)
  • Базовая тепловая машина состоит из газа, заключенного в цилиндре поршнем.При нагревании газ расширяется, толкая поршень. В работающем двигателе поршень совершает циклы движения вперед и назад.
  • КПД теплового двигателя показывает, сколько полезной работы получается на выходе двигателя, когда такое же количество тепловой энергии используется в качестве входного.

Примеры вопросов

Вопросы. Какова функциональность системы отопления? (1 балл)

Отв. Основная функция тепловой машины — превращать тепло в работу.

Он забирает тепло из резервуара, затем выполняет некоторую работу, такую ​​как перемещение поршня, подъем тяжестей и т. д., прежде чем отдать часть тепловой энергии в раковину.

Вопрос. Почему двигатель Карно считается идеальной системой отопления? (1 балл)

Отв. Двигатель Карно является идеальной системой отопления, потому что это реверсивный двигатель, работающий в цикле между горячим и холодным резервуарами, и может иметь максимальную эффективность.

Вопрос. В двигателе Карно КПД равен 40 % при температуре горячего резервуара T. При КПД 50 % какой будет температура горячего резервуара? (2 балла)

Отв. Из вышеприведенной формулы можно сказать:

Эффективность, η=выполненная работа/подведенная теплота

= Вт/Q

Раковина

и T1 = температура горячего резервуара

40/100 = 1-T2 / T1

T12 / T1 = 0,60261 T12 / T1 = 0,602 = 0.6T1

Теперь, 50/100 = 1−T2/T1′

⇒T2/T1′=0,5

0.6T1′/T1′=0,5

T1′=0,6/0,5T1⇒T1′=6/5T1

T1=6/5T [?T1=T′]

Вопросы Как работает двигатель внутреннего сгорания? (2 балла)

Отв. Топливо в этих тепловых двигателях сгорает внутри цилиндра. Примером двигателя внутреннего сгорания является автомобильный двигатель. Поскольку при передаче тепла между котлом и цилиндром нет потерь энергии, двигатели внутреннего сгорания более эффективны, чем двигатели внешнего сгорания.

Вопрос. Какова пропорция заявленного теплового КПД к соответствующему КПД стандартного воздушного цикла? (1 балл)

Отв. Отношение заявленного теплового КПД к соответствующему КПД стандартного воздушного цикла называется относительным КПД.

Вопрос. КПД тепловой машины определяется как? (1 балл)

Отв. Эффективность тепловой машины можно определить как

Чистая выходная мощность/Общая тепловая мощность

Ques.Определите процесс, происходящий в цикле теплового двигателя? (2 балла)

Отв. В системе теплового двигателя происходят три основных процесса, а именно:

  • Пар конденсируется в конденсаторе.
  • Работа производится в роторе турбины
  • Тепло передается от топки к котлу.

Вопрос. Приведите пример поршневой паровой машины. (1 балл)

Отв. В некоторых случаях до сих пор используются поршневые двигатели, работающие на сжатом воздухе, паре или других горячих газах.Паровой двигатель является примером одного из них.

Вопрос. Что такое сгорание в двигателе с воспламенением от сжатия? (1 балл)

Отв. В двигателе с воспламенением происходит гетерогенное сгорание.

Вопрос. В циклическом процессе тепловая машина поглощает 500 Дж теплоты из горячего резервуара, совершает работу и выбрасывает в окружающую среду (холодный резервуар) количество теплоты 300 Дж. Рассчитать КПД тепловой машины? (2 балла)

Отв. КПД тепловой машины определяется по формуле:

n = 1 — QL/ QH

n=1-300/500

= 1-3/5

7 0,6 = 0,4

μ = 1 – 0,6 = 0,4

Таким образом, КПД тепловой машины составляет 40 %, т. е. только 40 % подводимой теплоты преобразуется в работу.

Что такое тип теплового двигателя – пример теплового двигателя

Пример теплового двигателя

Цикл Ренкина точно описывает процессы в паровых тепловых двигателях, которые обычно используются на большинстве тепловых электростанций.

Паровые машины и рефрижераторы являются типичными примерами выносных двигателей с фазовым изменением рабочего тела. Типичный термодинамический цикл, используемый для анализа этого процесса, называется циклом Ренкина , в котором в качестве рабочей жидкости обычно используется вода.

Цикл Ренкина точно описывает процессы в паровых тепловых двигателях, которые обычно используются на большинстве тепловых электростанций . Источниками тепла, используемыми на этих электростанциях, обычно являются сжигание ископаемого топлива, такого как уголь, природный газ, или также ядерное деление .

АЭС (атомная электростанция) выглядит как стандартная тепловая электростанция за одним исключением. Источником тепла на АЭС является ядерный реактор . Как это обычно бывает на всех обычных тепловых электростанциях, тепло используется для выработки пара, который приводит в движение паровую турбину, соединенную с генератором, вырабатывающим электричество. Цикл Ренкина – термодинамика как наука о преобразовании энергии ступенчатые конденсационные паровые турбины .В этих турбинах ступень высокого давления получает пар (пар, близкий к насыщенному – х = 0,995 – точка С на рисунке; ​​ 6 МПа ; 275,6°С) из парогенератора и выбрасывает его в влагоотделитель-подогреватель ( пункт Д). Пар должен быть повторно подогрет, чтобы избежать повреждений, которые могут быть нанесены лопаткам паровой турбины низкокачественным паром. Подогреватель нагревает пар (точка D), после чего пар направляется на ступень низкого давления паровой турбины, где расширяется (точки E-F).Отработанный пар затем конденсируется в конденсаторе и находится под давлением значительно ниже атмосферного (абсолютное давление 0,008 МПа ) и находится в частично конденсированном состоянии (точка F), обычно с качеством около 90%.

В этом случае парогенераторы, паровая турбина, конденсаторы и питательные насосы составляют тепловую машину, на которую распространяются ограничения эффективности, налагаемые вторым законом термодинамики . В идеальном случае (отсутствие трения, обратимые процессы, идеальная конструкция) эта тепловая машина имела бы КПД Карно

= 1 – T холодного /T горячего = 1 – 315/549 = 42.6%

где температура горячего резервуара 275,6°С (548,7К), температура холодного резервуара 41,5°С (314,7К). Но атомная электростанция — это настоящая тепловая машина , в которой термодинамические процессы как-то необратимы. Они не выполняются бесконечно медленно. В реальных устройствах (таких как турбины, насосы и компрессоры) механическое трение и потери тепла вызывают дополнительные потери эффективности.

Поэтому атомные электростанции обычно имеют КПД около 33%.На современных атомных электростанциях общий термодинамический КПД составляет около 1/3 (33%), поэтому для выработки 1000 МВтэ электроэнергии необходимо 3000 МВттепл тепловой энергии реакции деления.

В соответствии с принципом Карно более высокая эффективность может быть достигнута путем повышения температуры пара. Но для этого требуется повышение давления внутри котлов или парогенераторов. Однако металлургические соображения устанавливают верхний предел таких давлений.С этой точки зрения реакторы со сверхкритической водой считаются многообещающим усовершенствованием для атомных электростанций из-за их высокого теплового КПД (~45 % по сравнению с ~33 % для существующих легководных реакторов). SCWR работают при 90 121 сверхкритическом давлении 90 122 (т.е. выше 22,1 МПа).

Узнайте больше о тепловом двигателе | Chegg.com

Различные типы тепловых циклов могут быть разработаны с использованием различных термодинамических процессов. упомянутый выше. Некоторые тепловые двигатели, работающие по принципу теплового цикла, описаны ниже:

Тепловой цикл Карно :

Тепловой двигатель Карно работает по тепловому циклу Карно.Тепловой цикл Карно — это идеальный термодинамический цикл, в котором для производства работы используются четыре процесса. Из четырех процессов два протекают обратимо при постоянной температуре, а два других являются адиабатическими процессами. Цикл Карно является замкнутым циклом. Процессы цикла Карно включают следующие этапы:

Процесс 1-2: Процесс расширения при постоянной температуре. В этом процессе газ совершает работу.

Процесс 2-3: Процесс адиабатического расширения. При этом газ охлаждается.

Процесс 3-4: процесс сжатия при постоянной температуре. В этом процессе совершается работа над газ.

Процесс 4-1: Процесс адиабатического сжатия. При этом температура газа восстановлен.

Здесь следует отметить, что работа, совершаемая газом, превышает работу, совершаемую на газ. В этом преимущество всего процесса. Диаграмма давление-объем для цикла Карно показана ниже:

Если термодинамический цикл работает по часовой стрелке, то он работает как тепловой двигатель.В этом случае часть поглощенной теплоты превращается в работу, а остальная часть отдается поглощению. Если цикл работает против часовой стрелки, то он работает как тепловой насос и холодильник. В этом случае над системой совершается работа по извлечению тепла из системы, как это делается в холодильнике.

Цикл Стирлинга:

Тепловая машина Стирлинга работает по циклу Стирлинга. Этот цикл также включает четыре процесса. Из четырех процессов два являются процессами с постоянной температурой (изотермический процесс), а два других являются процессами с постоянным объемом (изохорический процесс).Цикл Стирлинга представляет собой замкнутый цикл внешнего сгорания.

Цикл Эрикссона:

Двигатель Эрикссона работает по циклу Эрикссона. Работа цикла Эрикссона такая же, как у цикла Стирлинга. Стирлинг — это замкнутый цикл, а Эрикссон — открытый цикл. Это также используется в двигателе внешнего сгорания. Цикл Эрикссона включает четыре процесса. Из четырех процессов два являются процессами с постоянным давлением, а два других — процессами с постоянной температурой.Это также используется в двигателе внешнего сгорания.

Цикл Ренкина:

Все паровые машины работают по циклу Ренкина. Цикл Ренкина представляет собой замкнутый цикл внешнего сгорания. В цикле Ренкина используются двухфазные жидкости, в которых жидкая фаза жидкости превращается в паровую фазу. Все паровые электростанции также работают по циклу Ренкина.

Различные процессы в цикле Ренкина:

1-2: Процесс подвода тепла при постоянном давлении (в котле)

2-3: Процесс изоэнтропического (адиабатического) расширения (в турбине)

4-3: Отвод тепла при постоянном давлении (в конденсаторе)

4-1: Подвод тепла при постоянном объеме (в насосе)

Цикл Отто:

Все бензиновые двигатели работают по циклу Отто.Это идеальный цикл, который используется как эталон для измерения выходной мощности всего реального рабочего бензина двигатели. Этот цикл состоит из четырех процессов, из которых два являются постоянными. объемные процессы, а два других являются обратимыми адиабатическими процессами.

Дизельный цикл:

Все дизельные двигатели работают по принципу дизельного цикла. Этот цикл включает четыре процесса. Четыре процесса: 1) подвод тепла при постоянном давлении, 2) обратимое адиабатическое расширение, 3) отвод тепла при постоянном объеме и 4) обратимое адиабатическое сжатие.В качестве рабочего тела в дизельном двигателе используется воздух.

Цикл Брайтона:

Все газотурбинные двигатели работают по циклу Брайтона. Цикл Брайтона включает четыре процесса, два из которых являются процессами постоянного давления, а два других — обратимыми адиабатическими процессами.

Принцип работы тепловой машины – исследование QS

Принцип работы тепловой машины

Тепловая машина – это устройство, преобразующее тепло в работу. Он берет тепло из резервуара, затем выполняет некоторую работу, например, перемещает поршень, поднимает вес и т. д., и, наконец, отдает часть тепловой энергии в раковину.В каждом двигателе находится одно рабочее тело. Например, в паровом двигателе рабочим веществом является пар, в бензиновом двигателе опять же рабочим телом является бензин. Рабочее тело получает теплоту от высокотемпературного источника и часть этой теплоты преобразуется в работу, а остальное количество теплоты уходит в теплоотвод при низкой температуре. Это принцип работы тепловой машины.

Это означает, что двигатель, с помощью которого тепловая энергия может быть преобразована в механическую энергию, называется тепловым двигателем.Например, паровой двигатель, бензиновый двигатель, дизельный двигатель и т. д. В общем, тепловой двигатель — это устройство, которое преобразует химическую энергию в тепловую или тепловую энергию, а затем в механическую энергию или в электрическую энергию.

Температура источника, откуда двигатель получает тепло, должна быть выше температуры радиатора. Это означает, что двигатель получает теплоту от источника с более высокой температурой, часть этого тепла преобразуется в работу, а остальная часть отбрасывается в теплоотвод с более низкой температурой, и двигатель возвращается в исходное состояние.Чтобы получить от двигателя работу непрерывно, цикл должен быть изменен таким образом.

Согласно рисунку, рабочее тело получает Q количества теплоты от источника при температуре T. В этом двигателе часть теплоты в энергии превращается в механическую энергию, а часть теплоты отбрасывается в теплоотвод и становится холодным, чтобы двигатель снова мог получать тепло от источника. Если количество теплоты, отводимой в радиатор, равно Q 2 при температуре T 2 , количество теплоты, используемой для преобразования в работу, равно W = Q 1 – Q 2 .Двигатель, который может преобразовать большую часть тепловой энергии в работу, имеет более высокий КПД. Бензиновый двигатель имеет более высокий КПД, чем паровой двигатель.

Использование

Это устройство обычно использует энергию в виде тепла для выполнения работы, а затем отводит тепло, которое не может быть использовано для выполнения работы. Термодинамика – это наука о взаимосвязях между теплотой и работой. Первый закон и второй закон термодинамики ограничивают работу тепловой машины.

Типы

  • Двигатель внешнего сгорания – В этих тепловых двигателях топливо сгорает снаружи и вдали от основного двигателя, где создаются сила и движение.Паровой двигатель является примером двигателя внешнего сгорания.
  • Двигатель внутреннего сгорания – В этих тепловых двигателях топливо сгорает внутри цилиндра. Автомобильный двигатель является примером двигателя внутреннего сгорания.

Двигатели внутреннего сгорания, как правило, гораздо более эффективны, чем двигатели внешнего сгорания, потому что энергия не тратится впустую на передачу тепла от огня и котла к цилиндру; все происходит в одном месте.

Нитиноловые тепловые двигатели

Если вы думаете, что нитиноловый материал станет отличным материалом для изготовления тепловых двигателей, вы не одиноки.За прошедшие годы ряд экспериментаторов и компаний создали нитиноловые тепловые двигатели. Патентный поиск в Интернете с использованием ключевых слов «нитинол» и «двигатель» выявил несколько конструкций тепловых двигателей. Большинство запатентованных конструкций механически сложны и не поддаются быстрым экспериментам. Тем не менее, существует простая конструкция теплового двигателя, которая нашла применение в нескольких игрушках. Давайте быстро взглянем на этот дизайн.

Термобил

Thermobile (см. рис. 8) использует петлю из нитиноловой проволоки для выработки энергии.Нитиноловая петля размещена на двух свободно вращающихся колесах. Это устройство использует только горячую воду (горячая сторона) и холодный окружающий воздух (холодная сторона). Меньшее латунное колесо термомобиля погружено в горячую жидкость.

В термобайке нитиноловая петля обучена запоминать прямую форму. Когда петля попадает в горячую воду, она поднимается выше температуры перехода и пытается выпрямиться. Посмотрите на рисунок 9, в позиции 1 нитиноловая проволока относительно прямая и холодная.Когда проволока перемещается из положения 1 в положение 2, она огибает маленькое латунное колесо и попадает в горячую воду. Когда проволока перемещается из положения 2 в положение 3, горячая вода нагревает нитиноловую проволоку выше температуры перехода, и она пытается выпрямиться. При попытке распрямления нитиноловая проволока принимает форму, изображенную пунктирными линиями. При этом проволока создает тянущую силу F вдоль петли. Когда сегмент провода перемещается из положения 3 в положение 4, он выпрямляется. Когда проволока перемещается из положения 4 в положение 1 по воздуху и вокруг большого колеса, у нее есть достаточно времени, чтобы остыть ниже температуры перехода, и она готова к следующему циклу.

Короче говоря, перепад температур приводит к тому, что одна сторона контура становится жесткой (сторона с горячей водой), в то время как на воздушной стороне контура нитинол охлаждается и расслабляется. Возникает механическая сила, которая заставляет вращаться шкивы колес.

В некоторых случаях необходимо запустить двигатель от внешнего источника, вращая большее колесо. Интересно, что у Thermobile нет определенного направления вращения. Каким бы способом он ни был запущен, он будет продолжать вращаться. Термомобиль также может работать на солнечной энергии.Увеличительная линза, фокусирующая солнечный свет на латунном колесе, также обеспечивает достаточное количество тепла для питания двигателя.

Более крупные двигатели Thermobile были построены и испытаны с использованием нитиноловых петель. Один двигатель, построенный Innovative Technologies International (ITI) в 1982 году, содержал 30 петель из нитиноловой проволоки. Нитиноловая проволока, используемая в петлях, имела диаметр 22 мила. Двигатель был испытан с использованием водяной бани с температурой 55°С и температурой воздуха 25°С. Двигатель достиг скорости 270 об/мин и продолжал работать в течение 1.5 лет без поломок. Нитиноловая проволока прошла 2,1×108 циклов без каких-либо поломок или заметного ухудшения характеристик.

Лодка Cool-Craft (см. рис. 10) также использует петлю из нитиноловой проволоки для приведения в движение небольшой пластиковой лодки. Нитиноловая петля размещена на двух свободно вращающихся колесах, примерный разрез лодки Cool-Craft см. на рис. 11.

На меньшем нижнем колесе есть лопасти, которые двигают лодку, когда она вращается.Лодка выполнена с небольшим ледовым отсеком сверху. Верхнее отделение для льда охлаждает одну сторону нитиноловой петли. Другая сторона нитиноловой петли проходит через теплую воду, где находится игрушечная лодка. Разницы тепла между теплой водой и льдом достаточно, чтобы активировать петлю из нитиноловой проволоки и привести корабль в действие.

 

 

Тепловой двигатель — двигатель из нитинолового металла с приводом от горячей и холодной воды.

Тепловая машина — это особый вид тепловой машины, демонстрирующий превращение тепловой энергии в механическую энергию.На основе работа доктора Альфреда Джонсона, который получил патент на этот тип тепловой машины в 1977 году, патент № 4,055,955.

Он использует уникальное свойство нитинолового сплава для создания механических движение от тепла. Нитинол приобрел форму при высокой температуре (около 600°С) и охлаждают до комнатной температуры, при которой он может легко деформироваться и свариваться в петлю.

При нагреве выше температуры перехода (в этой заявке около от 50°C до 70°C) объект из нитинола резко возвращается к своему высокотемпературному форма со значительной силой, способной привести в движение шкивы и тем самым создать движение.


См. Тепловой двигатель в действии!

Дополнительная информация

Предыдущая страница

Второй закон термодинамики (обновлено 05.07.2014)

Глава 5: Второй закон термодинамики (обновлено 05.07.2014)

Глава 5: Второй закон термодинамики

В этой главе мы рассмотрим более абстрактный подход нагревать циклы двигателя, холодильника и теплового насоса, пытаясь определить, выполнимы ли они, и получить предельный максимум производительность, доступная для этих циклов.Понятие механического и термообратимость занимает центральное место в анализе, что приводит к идеальные циклы Карно. (См. Википедию: Сади Карно французский физик, математик и инженер, который первым успешно описал тепловые двигатели, цикл Карно и заложил основы второго закона термодинамика). Для получения дополнительной информации об этом тему, см. статью: A Встреча Роберта Стирлинга и Сади Карно в 1824 году представлен на выставке 2014 МЭК .

Мы представляем тепловой двигатель и цикл теплового насоса в минималистский абстрактный формат, как на следующих диаграммах. В обоих случаях есть два температурных резервуара T H и Т Л , с Т Х > Т Л .

В случае теплового двигателя тепло Q H извлекается из высокотемпературного источника T H , часть этого тепла превращается в работу W, совершаемую над окружающей средой, а остальное отбрасывается в низкотемпературную мойку T L .Обратное происходит с тепловым насосом, в котором работа W совершается на система для извлечения тепла Q L из низкотемпературный источник T L и «закачать» его в высокотемпературную раковину T H . Обратите внимание, что толщина линии представляет собой количество тепла. или переданная рабочая энергия.

Теперь мы представляем два утверждения второго закона Термодинамика, первая о тепловой машине, а вторая по поводу теплового насоса. Ни одно из этих утверждений не может быть доказано, однако никогда не наблюдалось нарушений.

Заявление Кельвина-Планка: Оно невозможно построить устройство, работающее по циклу и не производит никакого другого эффекта, кроме передачи тепла от одного тела для того, чтобы произвести работу.

Мы предпочитаем менее формальное описание этого оператора с точки зрения лодки, извлекающей тепло из океана для производства его требуемая двигательная работа:

Заявление Клаузиуса: Оно невозможно построить устройство, работающее по циклу и не производит никакого другого эффекта, кроме передачи тепла от более холодного тела к более горячему телу.

Эквивалентность Клаузиуса и Кельвина-Планка Выписки

Примечательно, что два вышеуказанных утверждения Второй закон фактически эквивалентен. Для демонстрации своих эквивалентности рассмотрим следующую диаграмму. Слева мы видим тепло насос, который нарушает утверждение Клаузиуса, перекачивая тепло Q L из низкотемпературного резервуара в высокотемпературный температурный резервуар без каких-либо затрат труда. Справа мы видим тепловой двигатель, отводящий тепло Q L в низкотемпературный резервуар.

Если теперь мы соединим два устройства, как показано ниже, что теплота, отводимая тепловой машиной Q L , равна просто закачивается обратно в высокотемпературный резервуар, тогда отсутствие необходимости в низкотемпературном резервуаре, что приводит к двигатель, который нарушает утверждение Кельвина-Планка, отбирая тепло от одного источника тепла и преобразования его непосредственно в работу.

Механическая и термическая обратимость

Обратите внимание, что утверждения о втором законе отрицательные утверждения в том, что они описывают только то, что невозможно достигать.Чтобы определить максимальную производительность, доступную от тепловая машина или тепловой насос нам необходимо ввести понятие Реверсивность , включая механическую и термическую обратимость. мы попробуем пояснить эти понятия на следующем примере реверсивный поршневой цилиндр, находящийся в тепловом равновесии с окружающей среды при температуре T 0 , и подвергается циклическому процессу сжатия/расширения.

Для механической обратимости мы предполагаем, что процесс без трения, однако мы также требуем, чтобы процесс квазиравновесный.На диаграмме мы видим, что во время при сжатии частицы газа, находящиеся ближе всего к поршню, будут более высокое давление, чем те, которые находятся дальше, поэтому поршень будет делать больше работы по сжатию, чем если бы мы ждали условия равновесия, возникающие после каждого дополнительного шага. Точно так же термическая обратимость требует, чтобы вся теплопередача изотермический. Таким образом, если происходит постепенное повышение температуры из-за к сжатию, то нужно дождаться установления теплового равновесия учредил.При расширении постепенное падение температуры приведет к передаче тепла от к окружающей среде к систему до тех пор, пока не установится равновесие.

Таким образом, для реверсивный режим:

  • Все механические процессы без трения.

  • При каждом приращении шаг в процессе условия теплового и барического равновесия учредил.

  • Все процессы теплопередачи являются изотермическими.

Теорема Карно

Теорема Карно, также известная как правило Карно, или Принцип Карно можно сформулировать следующим образом:

Тепловая машина не работает между двумя резервуары могут быть более эффективными, чем обратимая тепловая машина работающий между одними и теми же двумя резервуарами.

Самый простой способ доказать эту теорему — рассмотреть сценарий, показанный ниже, в котором у нас есть необратимый двигатель как а также реверсивный двигатель, работающий между резервуарами T H и T L , однако необратимая тепловая машина имеет более высокий КПД, чем обратимая один.Оба они получают одинаковое количество тепла Q H от высокотемпературный резервуар, однако необратимый двигатель производит больше работы W I , чем реверсивный двигатель W R .

Обратите внимание, что реверсивный двигатель по своей природе может работать в обратном порядке, т. е. если мы используем часть выхода работы (W R ) от нереверсивного двигателя для привода реверсивного двигателя затем он будет работать как тепловой насос, передавая тепло Q H в высокотемпературный резервуар, как показано на следующая диаграмма:

Обратите внимание, что высокотемпературный резервуар становится избыточно, и в итоге мы получаем чистое количество тепла (Q LR — Q LI ) из температурный резервуар для производства чистого количества работы (W I — W R ) — метод Кельвина-Планка нарушитель — тем самым доказывая теорему Карно.

Следствие 1 теоремы Карно:

Можно сформулировать первое следствие теоремы Карно следующим образом:

Все реверсивные тепловые двигатели действующие между теми же двумя тепловыми резервуарами должны иметь одинаковую эффективность.

Таким образом, независимо от типа тепловой машины, рабочее тело или любой другой фактор, если тепловая машина обратима, то он должен иметь такой же максимальный КПД. Если это не тот случае, то мы можем управлять реверсивным двигателем с нижней КПД как тепловой насос, а нарушитель Кельвина-Планка как над.

Следствие 2 теоремы Карно:

Второе следствие теоремы Карно может быть заявлено следующим образом:

Эффективность реверсивного источника тепла двигатель является функцией только соответствующих температур горячего и холодные резервуары. Его можно оценить, заменив соотношение Тепловые переводы Q L и Q и Q H H от соотношения температуры T и T и T H соответствующие тепловые резервуары.

Таким образом, используя это следствие, мы можем оценить тепловую КПД обратимой тепловой машины:

Обратите внимание, что мы всегда переходим в «режим медитации». до замены отношения теплоты отношением абсолютных температуры, что справедливо только для реверсивных машин. Простейшим концептуальным примером обратимой тепловой машины является машина Карно. цикла двигателя, как показано на следующей диаграмме:

Очевидно, совершенно непрактичный двигатель, который не может реализоваться на практике, поскольку для каждого из четырех процессов в цикл окружающей среды должен быть изменен с изотермического к адиабатическому.Более практический пример — идеальный цикл Стирлинга. двигатель, как показано на следующей схеме:

Этот двигатель имеет поршень для сжатия и работы по расширению, а также вытеснитель для перемещения рабочей газа между горячим и холодным пространством, и было описано ранее в Глава 3b . Отметим, что при одинаковых условиях температуры и сжатия отношение идеальный двигатель Карно имеет такой же КПД, однако значительно меньшая полезная производительность за цикл, чем у Ideal Stirling цикла двигателя, как легко увидеть на следующей диаграмме:

Когда реверсивный двигатель работает в обратном направлении, становится тепловым насосом или холодильником.Коэффициент производительности из этих машин разработано следующее:

__________________________________________________________________________

Решено Задача 5.1 — Реверсивный домашний воздух Кондиционер и горячая вода Нагреватель
__________________________________________________________________________

Проблема 5.2 — Тепловой насос используется для удовлетворения потребностей в отоплении дома и поддержания его при 20°С.В день, когда температура наружного воздуха опускается до -10°C подсчитано, что дом теряет тепло в размере 10 кВт. В этих условиях фактический коэффициент полезного действия (COP HP ) теплового насоса 2,5.

  • а) Нарисуйте схему представляющая систему теплового насоса, показывающую поток энергии и температуры и определить:

  • б) фактическая мощность потребляется тепловым насосом [4 кВт]

  • в) сила, которая будет потребляться обратимым тепловой насос в этих условиях [1.02 кВт]

  • г) сила, которая будет потребляться электрическим нагревателем сопротивления при этих условия [10 кВт]

  • e) Сравнение фактического теплового насоса с обратимый тепловой насос определить, если производительность фактического тепла насос возможен,

Вывести все используемые уравнения, начиная с основного значение КС лс .
__________________________________________________________________________

Задача 5.3 — Во время эксперимент, проведенный в старшей лаборатории при 25 ° C, студент измерил, что холодильник с циклом Стирлинга, который потребляет 250 Вт энергии, удален 1000кДж тепла от охлаждаемого помещения, поддерживаемого при -30°С. время работы холодильника во время эксперимента составляло 20 мин. Нарисуйте схему, представляющую холодильную систему, показывающую поток энергии и температуры, и определить, являются ли эти измерения разумны [COPR = 3,33, COPR, об. = 4,42, соотношение COPR/COPR, об. = 75% > 60% — нет достижимый].Укажите причины вашего выводы. Получить все уравнения, используемые, начиная с основного определения коэффициента производительности холодильника (КС Р ).
__________________________________________________________________________

К главе 6: Энтропия — новое свойство

____________________________________________________________________________________


Инженерная термодинамика Израиля Уриэли находится под лицензией Creative Commons Attribution-Noncommercial-Share Alike 3.0 США Лицензия

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.