Типы тепловых двигателей: Виды тепловых двигателей — Motoran.ru

Содержание

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.

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.

Готовые работы на аналогичную тему

Определение 1

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

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:

$\eta =\frac{T_1-T_2}{T_1}\left(1\right),$

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:

  • паровая машина;
  • турбина.

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:

  • компактность,
  • небольшую массу.

Недостатками таких двигателей являются:

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

Виды тепловых двигателей

Двигатель внутреннего сгорания

Двигатель внутреннего сгорания  — двигатель, в котором топливо сгорает непосредственно в рабочей камере двигателя. ДВС преобразует тепловую энергию от сгорания топлива в механическую работу . Гайнуллин Ильнур

Изобретатель

  • Этьен Ленуар — французский изобретатель бельгийского происхождения, изобретатель двигателя внутреннего сгорания.
  • Родился:  12 января 1822 г., Люксембург.
  • Умер:  4 августа 1900 г. , Франция.

Внешний вид. КПД.

  •   Мощность составляла 8,8 кВт (11,97 л. с.). Двигатель представлял собой одноцилиндровую горизонтальную машину двойного действия, работавшую на смеси воздуха и светильного газа с электрическим искровым зажиганием от постороннего источника. КПД двигателя не превышал 4,65 %. Несмотря на недостатки, двигатель Ленуара получил некоторое распространение. Использовался как лодочный двигатель.

Топливо

  • По началу ДВС работал на смеси воздуха и светильного газа с электрическим искровым зажиганием от постороннего источника. Однако это обстоятельство сильно суживало область применения первых ДВС.
  • Поэтому не прекращались поиски нового горючего для двигателя внутреннего сгорания. Некоторые изобретатели пытались применить в качестве газа пары жидкого топлива. Ещё в 1872 году американец Брайтон пытался использовать в этом качестве керосин. Однако керосин плохо испарялся, и Брайтон перешёл к более лёгкому нефтепродукту — бензину.

Преимущества и недостатки

  • Преимущества : 1. Высокая дальность передвижения на одной заправке; 2. Малый вес и объем топливного бака. Недостатки : 1. Низкий средний КПД во время эксплуатации; 2. Высокое загрязнение окружающей среды; 3. Обязательное наличие КПП; 4. Отсутствие режима рекуперации (пере-использования) энергии; 5. Работа ДВС подавляющую часть времени с недогрузом

Дизельный двигатель

  • Рудо́льф Кристиа́н Карл Ди́зель (нем. Rúdolf Chrístian Karl Diésel; 18 марта 1858, Париж — 29 сентября 1913, Ла-Манш) — немецкий инженер и изобретатель, создатель дизельного двигателя (1897).

Внешний вид двигателя

  • Ди́зельный дви́гатель — поршневой двигатель внутреннего сгорания, работающий по принципу самовоспламенения распылённого топлива от воздействия разогретого при сжатии воздуха.
  • Спектр топлива для дизельных двигателей весьма широк, сюда включаются все фракции нефтеперегонки от керосина до мазута и ряд продуктов природного происхождения — рапсовое масло, фритюрный жир, пальмовое масло и многие другие. Дизельный двигатель может с определённым успехом работать и на сырой нефти.
  • На первый взгляд дизельный двигатель почти не отличается от обычного бензинового — те же цилиндры, поршни, шатуны. Главные и принципиальные отличия заключаются в способе образования и воспламенения топливо-воздушной смеси. В карбюраторных и обычных инжекторных двигателях приготовление смеси происходит не в цилиндре, а во впускном тракте. В бензиновых двигателях с непосредственным впрыском смесь образуется так же как и в дизелях- непосредственно в цилиндре. В бензиновом моторе топливо-воздушная смесь в цилиндре воспламеняется в нужный момент от искрового разряда. В дизеле же топливо воспламеняется не от искры, а вследствие высокой температуры воздуха в цилиндре .

Коэффициент полезного действия.

  • Современные дизельные двигатели обычно имеют коэффициент полезного действия до 40-45 %, некоторые малооборотные крупные двигатели — свыше 50 %
  • Дизельный двигатель из-за особенностей рабочего процесса не предъявляет жёстких требований к испаряемости топлива, что позволяет использовать в нём низкосортные тяжелые масла. А чем тяжелее топливо и чем выше содержание атомов углерода в его молекулах, тем выше его теплотворная способность (калорийность), тем выше эффективность двигателя.

Преимущества и недостатки

  • 1.Одним из существенных недостатков дизеля является его низкая морозоустойчивость. К сожалению, дизтопливо при низких температурах густеет, и потому завести машину практически невозможно. 2.Ремонт дизельного двигателя по стоимости мог бы быть равноценен ремонту бензинового двигателя, но если из строя выйдет ТНВД, то это обернётся более серьёзными суммами. А вывести из строя ТНВД может некачественная солярка.
  • 1.Главное преимущество дизельного двигателя – конечно в его мощной тяговитости. Автотранспорт с дизелем в большинстве своём применяется для перевозки грузов. 2.Вторым плюсом дизеля является его экономичность.Стоимость литра дизельного топлива намного дешевле литра бензина. Его дешевизна объясняется тем что дизтопливо – это по сути,отходы производства бензина.

Дизель вреден ли для человека?

  • Согласно результатам исследований, пары дизельного топлива способны вызывать образование в легких раковых клеток. Вдыхание воздуха, наполненного парами дизтоплива, по своему вредоносному влиянию сопоставимо с пассивным курением. И теперь борцы за экологию и чистый воздух обвиняют правительства в целенаправленном усугублении проблем европейцев со здоровьем путем популяризации автомобилей, работающих на дизельном топливе.

Самый быстрый автомобиль на дизельном топливе.

  • 23 августа 2006 года на просторах высохшего озера Бонневиль (Bonneville) прототип JCB Dieselmax под управлением пилота Энди Грина установил новый мировой рекорд скорости для дизельных автомобилей — 563,418 км/ч. Предыдущий рекорд был поставлен в 1973 году и составлял 379,4 км/ч.

Самый большой/мощный дизельный двигатель

  • Судовой, 14 цилиндровый — Wärtsilä-Sulzer RTA96-C, созданный финской компанией Wärtsilä в 2002 году, для установки на крупные морские контейнеровозы и танкеры, является самым большим дизелем в мире.
  • Конфигурация — 14 цилиндров в ряд
  • Рабочий объём — 25 480 литров
  • Среднее эффективное давление — 1,96 МПа (19,2 кгс/см²)
  • Мощность — 108 920 л. с. при 102 об./мин. (отдача с литра 4,3 л. с.)
  • Расход топлива — 13 724 литров в час
  • Сухая масса — 2300 тонн
  • Габариты — длина 27 метров, высота 13 метров

Реактивный двигатель

  • Год создания 10 ноября 1935 года

Создатель реактивного двигателя

  • Создатель первого реактивного двигателя Ганс фон Охайн — немецкий инженер-конструктор и изобретатель. Участвовал в разработке первого турбореактивного самолета и немецкого турбореактивного авиационного двигателя.

Внешний вид

Реактивный двигатель

состоит из

компрессора,

турбины, сопло,

смесителя, камеры

сгорания,

вентилятора

Принцип работы

  • В начале турбины стоит вентилятор, который засасывает воздух из внешней среды в турбины. Вентилятор обладает большой площадью и огромным количеством  лопастей специальной формы, сделанных из титана. Основных задач две – забор воздуха и охлаждение всего двигателя в целом, путем прокачивание воздуха между внешней оболочкой двигателя и внутренними деталями. Это охлаждает камеры смешивания и сгорания и не дает им разрушится.
  • Сразу за вентилятором стоит мощный компрессор, который нагнетает воздух под большим давлением в камеру сгорания.
  • Камера сгорания выполняет еще и роль карбюратора, смешивая топливо с воздухом. После образования топливо воздушной смеси она поджигается. В процессе возгорания происходит значительный разогрев смеси и окружающих деталей, а также объемное расширение. Фактически реактивный двигатель использует для движения управляемый взрыв.

Принцип работы

  • Камера сгорания реактивного двигателя одна из самых горячих его частей  – её необходимо постоянно интенсивное охлаждение. Но и этого недостаточно. Температура  в ней достигает 2700 градусов, поэтому её часто делают из керамики.
  • После камеры сгорания горящая топливо-воздушная смесь направляется непосредственно в турбину.
  • Турбина  состоит из сотен лопаток, на которые давит реактивный поток, приводя турбину во вращение. Турбина в свою очередь вращает вал, на котором “сидят” вентилятор и компрессор. Таким образом система замыкается и требует лишь подвода топлива и воздуха для своего функционирования.
  • После турбины поток направляется в сопло. Сопло реактивного двигателя – последняя, но далеко не по значению часть реактивного двигателя. Оно формирует непосредственно реактивную струю. В сопло направляется холодный воздух, нагнетаемый вентилятором для охлаждения внутренних деталей двигателя. Этот поток ограничивает манжету сопла от сверхгорячего реактивного потока и дает ей расплавится.

Преимущества и недостатки

1)Проще по

4) Основным

конструкции, чем

недостатком является

остальные двигатели.

очень большая трата

2)Дешевле остальных

топлива

двигателей .

3) Нет требования

иметь источник

постоянного тока

Прочее

КПД ( Реактивного двигателя )-30%

Топливом чаще всего используют —

керосин .

Двигатели будущего

  • Ионный двигатель
  • Электромобиль
  • «Чистые» двигатели

Ионный двигатель

  • Ионный двигатель  — тип  электрического ракетного двигателя , принцип работы которого основан на создании реактивной тяги на базе  ионизированного   газа , разогнанного до высоких скоростей в  электрическом поле . Технические характеристики ионного двигателя: потребляемая мощность 1—7 кВт, скорость истечения ионов 20—50 км/с, тяга 20—250 мН, КПД 60—80 %, время непрерывной работы более трёх лет. Рабочим телом, как правило, является ионизированный  инертный газ  ( аргон ,  ксенон  и т.  п.), но иногда и  ртуть . Достоинством этого типа двигателей является малый расход топлива и продолжительное время функционирования (максимальный срок непрерывной работы самых современных образцов ионных двигателей составляет более трёх лет). Недостатком ионного двигателя является ничтожная по сравнению с  химическими двигателями   тяга . По сравнению с двигателями с  ускорением в магнитном слое  ионный двигатель обладает большим энергопотреблением при равном уровне тяги. Ионные двигатели используют повышенные напряжения, обладают более сложной схемой и конструкцией, что усложняет решение задачи обеспечения высокой надёжности и электрической прочности двигателя.

Ионный двигатель

Сфера применения: управление ориентацией и положением на орбите  искусственных спутников Земли  (некоторые спутники оснащены десятками маломощных ионных двигателей) и использование в качестве главного тягового двигателя небольших автоматических  космических станций .

Ионному двигателю в настоящее время принадлежит рекорд  негравитационного ускорения  космического аппарата в космосе —  Deep Space 1  смог увеличить скорость аппарата массой около 370 кг на 4,3 км/с, израсходовав 74 кг ксенона. Этот рекорд был побит космическим аппаратом  Dawn : впервые — 5 июня 2010 года, а к сентябрю 2016 года набрана скорость уже в 39900 км/ч (11,1 км/с)

Электромобиль

  • Электромобиль  —  автомобиль , приводимый в движение одним или несколькими  электродвигателями  с питанием от автономного источника электроэнергии ( аккумуляторов ,  топливных элементов  и т. п.), а не  двигателем внутреннего сгорания . Электромобиль следует отличать от автомобилей с двигателем внутреннего сгорания и  электрической передачей , а также от  троллейбусов  и  трамваев .

Электромобиль

Электромобили отличаются низкими транспортными расходами.   Ford Ranger  потребляет 0,25  кВт·ч  на один  километр  пути,  Toyota RAV4 EV  — 0,19 кВт·ч на  километр . Средний годовой пробег автомобиля в  США  составляет 19200 км (т. е. 52 км в день). При стоимости электроэнергии в  США  от 5 до 20 центов за кВт·ч стоимость годового пробега Ford Ranger составляет от $240 до $1050, RAV-4 — от $180 до $970.

В  России  стоимость  электроэнергии  — порядка 12 центов (3,8 руб) за кВт·ч по дневному тарифу и около 3 центов (0,95 руб) за кВт·ч ночью . Таким образом, транспортные расходы электромобиля в России будут несколько ниже, чем в  США , поскольку заряжаться он будет, скорее всего, ночью. КПД   тягового электродвигателя  составляет 88—95 %.

Существует мнение,что низкий уровень  шума  электромобилей может создавать проблемы — пешеходы, переходя дорогу, зачастую ориентируются на звук автомобиля. Разумеется, резкий шум работающего мощного  электродвигателя  трудно с чем-то спутать, шум электроприводов  троллейбуса  (в основном, воздушных компрессоров и

вентиляторов в старых моделях), механических передач (дифференциал и карданная передача), электрокара, поезда  метро  широко известен, так что электромобилюнеобходимо обычное для транспорта шумоподавление.

Да и шум современного автомобиля на небольшой скорости очень мал, в основном, это шум трения колёс об асфальт, гравий или другое покрытие..

Солнечная батарея

Солнечная батарея — несколько объединённых фотоэлектрических преобразователей ( фотоэлементов ) —  полупроводниковых  устройств, прямо преобразующих солнечную энергию в постоянный электрический ток, в отличие от  солнечных коллекторов , производящих нагрев материала- теплоносителя

Солнечные батареи: плюсы и минусы

  • Самый первый плюс — это  неиссякаемость и вседоступность источника энергии .
  • Второе достоинство солнечных батарей — это их  экологичность .
  • Третий плюс солнечных батарей- это независимость
  • Самый первый недостаток —  необходимость первоначальных больших инвестиций ость батарей от топлива
  • Низкий уровень КПД . Один квадратный метр солнечной батареи средней производительности выдаёт всего лишь около 120 Вт мощности. КПД в таком случае равен 14-15%

Тепловые двигатели | Физика

Развитие техники во многом зависит от умения как можно более полно использовать те запасы внутренней энергии, которые содержатся в топливе.

Использовать внутреннюю энергию — значит совершить полезную работу, например переместить поршень, поднять груз и т. д.

Проделаем опыт. Нальем в пробирку немного воды, затем плотно закроем ее пробкой и нагреем воду до кипения. Под давлением образовавшегося пара пробка выскочит и поднимется вверх. Сначала в этом опыте энергия топлива перешла во внутреннюю энергию пара. Затем пар, расширяясь, совершил работу — поднял пробку.

Если мы заменим пробирку прочным металлическим цилиндром, а пробку — плотно пригнанным поршнем, способным двигаться внутри цилиндра, то получим простейший тепловой двигатель.

Тепловым двигателем называют устройство, совершающее работу за счет использования внутренней энергии топлива.

Существуют разные виды тепловых двигателей: паровая машина, двигатель внутреннего сгорания, газовая и паровая турбины, реактивный двигатель. В каждом из них энергия топлива сначала переходит в энергию газа (или пара), который затем, расширяясь, совершает работу. В процессе совершения этой работы часть внутренней энергии газа превращается в механическую энергию движущихся частей двигателя.

Совершая работу, тепловой двигатель использует лишь некоторую часть той энергии, которая выделяется при сгорании топлива.

Физическая величина, показывающая, какую долю составляет совершаемая двигателем работа от энергии, полученной при сгорании топлива, называется коэффициентом полезного действия теплового двигателя.

КПД теплового двигателя находят по формуле

где Q — количество теплоты, полученное в результате сгорания топлива; А — работа, совершаемая двигателем.

В результате того, что А всегда меньше Q, коэффициент полезного действия любою теплового двигателя оказывается меньше 100 %.

Первые тепловые двигатели были построены в конце XVIII в. Это были паровые машины.

Основной частью паровой машины является цилиндр, внутри которого находится поршень. Поршень приводится в движение паром, который поступает из парового котла.

Первая универсальная паровая машина была построена английским изобретателем Джеймсом Уаттом. Начиная с 1768 г. на протяжении многих лет он занимался усовершенствованием ее конструкции. При поддержке крупного промышленника Болтона за десять лет в период с 1775 по 1785 г. фирма Уатта построила 66 паровых машин: из них 22 для медных рудников, 17 для металлургических заводов, 7 для водопроводов, 5 для каменноугольных шахт и 2 для текстильных фабрик. За следующее десятилетие той же фирмой было поставлено уже 144 такие машины.

Изобретение паровой машины сыграло огромную роль в переходе к машинному производству. Недаром на памятнике Уатту написано: «Увеличил власть человека над природой».

1. Приведите примеры превращения внутренней энергии пара в механическую энергию тела. 2. Что называют тепловым двигателем? 3. Назовите виды тепловых двигателей. 4. Что называют коэффициентом полезного действия теплового двигателя? 5. Кто изобрел паровую машину?

Дви́гатель —  устройство, преобразующее какой-либо вид энергии в механическую. Этот термин используется с конца XIX в. наряду со словом «мотор», которым с середины ХХ века чаще называют электродвигатели и двигатели внутреннего сгорания.

Двигатели подразделяют на первичные и вторичные.

К первичным относят непосредственно преобразующие природные энергетические ресурсы в механическую работу, например, ветрянное колесо, водяное колесо; тепловые двигатели — в них химическая энергия топлива или атомная энергия преобразуются в другие виды энергии ,а ко вторичным относятcя двигатели преобразующие энергию, выработанную или накопленную другими источниками (электридвигатель, пневмодвигатель,гидродвигатель).

В зависимости от используемого вида энергии двигатели делятся на:

  • тепловые
  • гидравлические
  • электрические.

Современная  техника  использует  три  типа  тепловых  машин:

  • поршневые
  • турбинные 
  • и  реактивные.

Виды тепловых  двигателей:

  • паровая машина,
  • двигатель внутреннего сгорания,
  • паровая и газовая турбины,
  • реактивный двигатель.
По данным агенства экономических новостей, более перспективными разработками в настоящее время являются термомагнитный двигатель и тепловой двигатель с внешним подводом теплоты.

По конструктивным особенностям двигатели подразделяются на:

  • поршневые двигатели (двигатели внутреннего сгорания, дизельныe,бензиновыe)
  • роторныe двигатели (паровые турбины, большинство электромоторов)
  • реактивныe двигатели  (воздушно-реактивные, pакетные двигатели).

Поршневые двигатели также разделяются на три группы:

  • на  двигатели, которые работают по циклу Отто (карбюраторные),
  • циклу  Дизеля (дизельные)
  • и по циклу Тринклера  с использованием  форсунки.

Основными состабляющими двигателя внутреннего сгорания являются:

  • цилиндр
  • впускной клапан
  • выпускной клапан
  • впускной коллектор
  • свеча
  • камера сгорания
  • поршень
  • шатун
  • каленвал

Каждое движение поршня называется тактом. Цикл, создающий энергию для работы двигателя, состоит из четырех тактов: вниз, вверх, вниз, вверх. Соответственно этот процесс называется четырехтактным циклом.

Наиболее  широко  используются  поршневые  двигатели  внутреннего  сгорания.   Двигатель  внутреннего  сгорания – это  тепловая  машина,  в  которой  топливо  сжигается  в  цилиндре  под  поршнем. Он используется для привода средств наземного, воздушного и водного транспорта,  сельскохозяйственной и строительной техники, электрогенераторов, компрессоров и  т.д.

Рассмотрим теперь конструктивные особенности станков.

Станок — машина, используемая (как правило, в промышленности) для обработки различных материалов, либо приспособление для выполнения чего-либо.
Большинство деталей машин обрабатываются на металлорежущих станках.
Металлорежущий станок — это технологическая машина, предназначенная для обработки материалов резанием с целью получения деталей заданной формы и размеров..

Основные составляющие станка:
Сyппорт, предназначенный для крепления и ручного либо автоматического перемещения инструмента.
Шпи́ндель — вращающийся вал металлорежущего станка с устройством для закрепления обрабатываемого изделия или режущего инструмента;
Привод — совокупность устройств, предназначенных для приведения в действие машин.
Ба́бка — предназначается для точного поддержания и перемещения обрабатываемой на станке детали относительно режущего инструмента или обрабатывающей поверхности. Располагается и крепится на станине.
Бабка передняя (бабка шпиндельная или бабка изделия) — узел связан с шпинделем, который сообщает вращательное движение обрабатываемой заготовке, детали или инструменту.
Бабка задняя (упорная) —  используется для закрепления инструмента (например, сверл, зенкеров, разверток) для обработки детали по оси с внешней стороны.
Бабка шлифовальная представляет из себя узел шлифовальных станков.
Резец —  режущий инструмент с одним прямым, изогнутым или фасонным главным режущим ребром.
Станки могут быть классифицированы по разным признакам.

По степени специализации они относятся к одной из следующих групп:

  • универсальные
  • специализированные
  • специальные.

По степени точности станки делят на пять классов:

  • нормальной точности
  • повышенной точности
  • высокой точности
  • особо высокой точности
  • особо точные станки, иначе мастер-станки.

По степени автоматизации различают механизированные и автоматизированные станки, в том числе автоматы и полуавтоматы:

По расположению шпинделя станки делятся на горизонтальные, вертикальные, наклонные и комбинированные.

В зависимости от массы различают станки легкие (до 1т), средние (до 10 т) и тяжелые (свыше 10 т), среди которых можно выделить особо тяжелые или уникальные (более 100 т).
Совокупность всех типов и размеров выпускаемых станков называется типажом.

По виду обработки металлорежущие станки делятся на:

  • Токарные
  • Сверлильные и расточные
  • Шлифовальные, полировальные, доводочные
  • Комбинированные, электро- и физико-химические
  • Зубо- и резьбо-обрабатывающие
  • Фрезерные
  • Строгальные, долбежные, протяжные
  • Разрезные

Металлорежущие станки почти всех типов выпускаются как с ручным управлением, так и с числовым программным управлением (ЧПУ).

Вопросы.

  1. Что такое двигатель?
  2. Назовите основные составляющие двигателя внутреннего сгорания?
  3. Что такое металлорежущий станок?
  4. Какие металлорежущие  станки по виду обработки Вы знаете?
Ответы.
  1. Дви́гатель —  устройство, преобразующее какой-либо вид энергии в механическую. Этот термин используется с конца XIX в. наряду со словом «мотор», которым с середины ХХ века чаще называют электродвигатели и двигатели внутреннего сгорания.
  2. Основными состабляющими двигателя внутреннего сгорания являются: цилиндр, впускной клапан, выпускной клапан, впускной коллектор, свеча, камера сгорания, поршень, шатун, каленвал.
  3. Металлорежущий станок — это технологическая машина, предназначенная для обработки материалов резанием с целью получения деталей заданной формы и размеров. На станках обрабатывают заготовки не только из металла, но и из других материалов, поэтому термин «металлорежущий станок» является условным.
  4. По виду обработки металлорежущие станки делятся на  токарные; cверлильные и расточные; шлифовальные, полировальные, доводочные; комбинированные, электро- и физико-химические; зубо- и резьбо-обрабатывающие; фрезерные; cтрогальные, долбежные, протяжные ; paзрезные.

 

Тепловые двигатели. КПД тепловых двигателей. 10-й класс

Тип урока: Урок изучения нового материала.

Цель урока: Разъяснить принцип действия теплового двигателя.

Задачи урока:

Образовательные: познакомить учащихся с видами тепловых двигателей, развивать умение определять КПД тепловых двигателей, раскрыть роль и значение ТД в современной цивилизации; обобщить и расширить знания учащихся по экологическим проблемам.

Развивающие: развивать внимание и речь, совершенствовать навыки работы с презентацией.

Воспитательные: воспитывать у учащихся чувство ответственности перед последующими поколениями, в связи с чем, рассмотреть вопрос о влиянии тепловых двигателей на окружающую среду.

Оборудование: компьютеры для учащихся, компьютер учителя, мультимедийный проектор, тесты (в Excel), Физика 7-11 Библиотека электронных наглядных пособий. “Кирилл и Мефодий”.

Ход урока

1. Оргмомент

2. Организация внимания учащихся

Тема нашего урока: “Тепловые двигатели”. (Слайд 1)

Сегодня мы вспомним виды тепловых двигателей, рассмотрим условия их эффективной работы, поговорим о проблемах связанных с их массовым применением. (Слайд 2)

3. Актуализация опорных знаний

Прежде чем перейти к изучению нового материала предлагаю проверить как вы к этому готовы.

Фронтальный опрос:

– Дайте формулировку первого закона термодинамики. (Изменение внутренней энергии системы при переходе ее из одного состояния в другое равно сумме работы внешних сил и количество теплоты, переданное системе. U=A+Q)

– Может ли газ нагреться или охладиться без теплообмена с окружающей средой? Как это происходит? (При адиабатических процессах.) (Слайд 3)

– Напишите первый закон термодинамики в следующих случаях: а) теплообмен между телами в калориметре; б) нагрев воды на спиртовке; в) нагрев тела при ударе. (а) А=0, Q=0, U=0; б) А=0, U= Q; в) Q=0, U=А)

– На рисунке изображен цикл, совершаемый идеальным газом определенной массы. Изобразить этот цикл на графиках р(Т) и Т(р). На каких участках цикла газ выделяет теплоту и на каких – поглощает?

(На участках 3-4 и 2-3 газ выделяет некоторое количество теплоты, а на участках 1-2 и 4-1 теплота поглощается газом.) (Слайд 4)

4. Изучение нового материала

Все физические явления и законы находят применение в повседневной жизни человека. Запасы внутренней энергии в океанах и земной коре можно считать практически неограниченными. Но располагать этими запасами недостаточно. Необходимо за счет энергии уметь приводить в действие устройства, способные совершать работу. (Слайд 5)

Что является источником энергии? (различные виды топлива, энергия ветра, солнца, приливов и отливов)

Существуют различные типы машин, которые реализуют в своей работе превращение одного вида энергии в другой.

Тепловой двигатель – устройство, превращающее внутреннею энергию топлива в механическую энергию. (Слайд 6)

Рассмотрим устройство и принцип работы теплового двигателя. Тепловая машина работает циклично.

Любая тепловая машина состоит из нагревателя, рабочего тела и холодильника. (Слайд 7)

КПД замкнутого цикла (Слайд 8)

Q1 – количество теплоты полученное от нагревания Q1>Q2

Q2 – количество теплоты отданное холодильнику Q 2<Q 1

A/ = Q 1– |Q 2| – работа совершаемая двигателем за цикл ? < 1.

Цикл C. Карно (Слайд 9)

T1 – температура нагревания.

Т2 – температура холодильника.

  1. – не зависит от Q, р, V топлива.
  2. – является функцией только двух температур.

На всех основных видах современного транспорта преимущественно используются тепловые двигатели. На железнодорожном транспорте до середины XX в. основным двигателем была паровая машина. Теперь же главным образом используют тепловозы с дизельными установками и электровозы. На водном транспорте также использовались вначале паровые двигатели, сейчас используются как двигатели внутреннего сгорания, так и мощные турбины для крупных судов.

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.

Тепловые двигатели (паровые турбины) устанавливают также на атомных электростанциях. Газовые турбины широко используются в ракетах, в железнодорожном и автомобильном транспорте.

На автомобилях применяют поршневые двигатели внутреннего сгорания с внешним образованием горючей смеси (карбюраторные двигатели) и двигатели с образованием горючей смеси непосредственно внутри цилиндров (дизели).

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. (Слайд 10)

(Показ видеофрагментов работы турбореактивного двигателя.)

Рассмотрим более подробно работу двигателя внутреннего сгорания. Просмотр видеофрагмента. (Слайд 11)

Работа четырехтактного ДВС.
1 такт: впуск.
2 такт: сжатие.
3 такт: рабочий ход.
4 такт: выпуск.
• Устройство: цилиндр, поршень, коленчатый вал, 2 клапана(впуск и выпуск), свеча.
• Мертвые точки – крайнее положение поршня.
Сравним эксплуатационные характеристики тепловых двигателей.

КПД:

  • Паровой двигатель – 8%
  • Паровая турбина – 40%
  • Газовая турбина – 25-30%
  • Двигатель внутреннего сгорания – 18-24%
  • Дизельный двигатель – 40– 44%
  • Реактивный двигатель – 25% (Слайд 112)

Тепловые двигатели и охрана окружающей среды (Слайд 13)

Неуклонный рост энергетических мощностей – все большее распространение укрощенного огня – приводит к тому, что количество выделяемой теплоты становится сопоставимым с другими компонентами теплового баланса в атмосфере. Это не может не приводить к повышению средней температуры на Земле. Повышение температуры может создать угрозу таяния ледников и катастрофического повышения уровня Мирового океана. Но этим не исчерпываются негативные последствия применения тепловых двигателей. Растет выброс в атмосферу микроскопических частиц – сажи, пепла, измельченного топлива, что приводит к увеличению “парникового эффекта”, обусловленного повышением концентрации углекислого газа в течение длительного промежутка времени. Это приводит к повышению температуры атмосферы.

Выбрасываемые в атмосферу токсические продукты горения, продукты неполного сгорания органического топлива – оказывают вредное воздействие на флору и фауну. Особую опасность в этом отношении представляют автомобили, число которых угрожающе растет, а очистка отработанных газов затруднена.

Все это ставит ряд серьезных проблем перед обществом. (Слайд 14)

Необходимо повышать эффективность сооружений, препятствующих выбросу в атмосферу вредных веществ; добиваться более полного сгорания топлива в автомобильных двигателях, а также увеличения эффективности использования энергии, экономии ее на производстве и в быту.

Альтернативные двигатели:

  • 1. Электрические
  • 2. Двигатели, работающие на энергии солнца и ветра (Слайд 15)

Пути решения экологических проблем:

  1. Использование альтернативного топлива.

  2. Использование альтернативных двигателей.

  3. Оздоровление окружающей среды.

  4. Воспитание экологической культуры. (Слайд 16)

5. Закрепление материала

Всем вам предстоит всего лишь через год сдавать единый государственный экзамен. Предлагаю вам решить несколько задач из части А демоверсии по физике за 2009 год. Задание вы найдете на рабочих столах ваших компьютеров.

6. Подведение итогов урока

С момента, когда была построена первая паровая машина, до настоящего времени прошло более 240 лет. За это время тепловые машины сильно изменили содержание жизнь человека. Именно применение этих машин позволило человечеству шагнуть в космос, раскрыть тайны морских глубин.

Выставляет оценки за работу на уроке.

7. Домашнее задание:

§ 82 (Мякишев Г.Я.), упр. 15 (11, 12) (Слайд 17)

8. Рефлексия

Прежде чем покинуть класс просьба заполнить таблицу.

На уроке я работал

активно / пассивно

Своей работой на уроке я

доволен / не доволен

Урок для меня показался

коротким / длинным

За урок я

не устал / устал

Мое настроение

стало лучше / стало хуже

Материал урока мне был

понятен / не понятен
полезен / бесполезен
интересен / скучен

Домашнее задание мне кажется

легким / трудным
интересно / не интересно
 

Ответы подчеркнуть

Спасибо за работу.

На этом наш урок окончен.

Литература:

  1. Мякишев Г.Я. Физика. 10 класс: учеб. Для общеобразоват. Учреждений: базовый и профил. уровни/18-е изд. – М.:Просвещение, 2009.
  2. Демкович В.П. Сборник задач по физике. 10-11 кл. – М.: ООО “Издательство Астрель”, 2001.
  3. Волков В.А. Универсальные поурочные разработки по физике. 10 класс. – М.: ВАКО, 2006.

Видео-1

Видео-2

Тест

Презентация

Тепловой двигатель — это… Что такое Тепловой двигатель?

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

История

Первой известной нам тепловой машиной была паровая турбина внешнего сгорания, изобретённая во ΙΙ (или в Ι ?) веке н. эры в римской империи. Это изобретение не получило своего развития предположительно из-за низкого уровня техники того времени (например, тогда ещё не был изобретён подшипник).

Теория

Работа, совершаемая двигателем, равна:

, где:
  •  — количество теплоты, полученное от нагревателя,
  •  — количество теплоты, отданное охладителю.

Коэффициент полезного действия (КПД) теплового двигателя рассчитывается как отношение работы, совершаемой двигателем, к количеству теплоты, полученному от нагревателя:

Часть теплоты при передаче неизбежно теряется, поэтому КПД двигателя менее 1. Максимально возможным КПД обладает двигатель Карно. КПД двигателя Карно зависит только от абсолютных температур нагревателя() и холодильника():

Типы тепловых двигателей

Двигатель Стирлинга

Дви́гатель Сти́рлинга — тепловая машина, в которой жидкое или газообразное рабочее тело движется в замкнутом объёме, разновидность двигателя внешнего сгорания. Основан на периодическом нагреве и охлаждении рабочего тела с извлечением энергии из возникающего при этом изменения объёма рабочего тела. Может работать не только от сжигания топлива, но и от любого источника тепла.

Поршневой двигатель внутреннего сгорания

ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ, 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. Первый двигатель внутреннего сгорания сконструирован Э. Ленуаром в 1860. В наше время чаще встречается автомобильный транспорт, который работает на тепловом двигателе внутреннего сгорания, работающем на жидком топливе. Рабочий цикл в двигателе происходит за четыре хода поршня, за четыре такта. Поэтому такой двигатель и называется четырёхтактным. Цикл двигателя состоит из следующих четырёх тактов: 1.впуск, 2.сжатие, 3.рабочий ход, 4.выпуск.

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 не 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

Твёрдотельные двигатели

(источник журнал “Техника молодёжи“)== == Здесь в качестве рабочего тела используется твёрдое тело. Здесь изменяется не объём рабочего тела, а его форма. Позволяет использовать рекордно малый перепад температур.

Презентация по теме «Виды тепловых двигателей»

Слайд 1

Презентация Виды тепловых двигателей Выполнила: студентка группы 14К1 Коженова Полина

Слайд 2

Тепловые двигатели Паровая машина Газовая, паровая турбина Реактивн-ый двигатель ДВС Виды тепловых двигателей

Слайд 3

Тепловые машины реализуют в своей работе превращение одного вида энергии в другой. Таким образом машины-устройства которые служат для преобразования одного вида энергии в другой. Преобразуют внутреннюю энергию в механическую. Внутренняя энергия тепловых машин образуется за счет энергии топлива

Слайд 4

Парова́я маши́на -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 двигатель внешнего сгорания, который преобразо-вывает энергию пара в механическую работу.

Слайд 5

Двигатель внутреннего сгорания-это тип двигателя, тепловая машина, в которой химическая энергия топлива, сгорающего в рабочей зоне, преобразуется в механическую работу. Несмотря на то, что ДВС являются относительно несовершенным типом тепловых машин, он очень широко распространен, например в транспорте. Несмотря на то, что ДВС являются относительно несовершенным типом тепловых машин, он очень широко распространен, например в транспорте.

Слайд 6

Газовая турбина это тепловой двигатель непрерывного действия, в лопаточном аппарате которого энергия сжатого и нагр-етого газа преобразуется в механическую работу на валу. Состоит из копрессора, соединённого напрямую с турбиной, и камерой сгорания между ними.

Слайд 7

Паровая турбина — это тепловой двигатель непрерывного действия, в лопаточном аппарате которого потенциальная энергия сжатого и нагретого водяного пара преобразуется в кинетическую, которая в свою очередь совершает механическую работу на валу.

Слайд 8

Реактивный двигатель -создает 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.

Слайд 9

Разнообразие видов тепловых машин указывает лишь на различие в конструкции и принципах преобразования энергии. Общим для всех тепловых машин является то, что они изначально у величивают свою внутреннюю энергию за счет сгорания топлива с последующим преобразованием внутренней энергии в механическую

Типы тепловых двигателей — Двигатель внутреннего и внешнего сгорания

Тепловые двигатели можно найти везде, куда бы вы ни пошли. В холодильнике есть тепловой двигатель, который помогает охлаждать продукты. Вы также можете найти тепловые двигатели в своей машине. Они также присутствуют во всех видах кондиционеров. Первостепенное значение теплового двигателя — это производство механической энергии с помощью тепловой энергии. Существует две основных классификации тепловых двигателей, основанных на процессе сгорания.Два типа тепловых двигателей — это двигатели внутреннего сгорания и двигатели внешнего сгорания. Прежде чем мы рассмотрим классификацию тепловых двигателей, давайте разберемся, что такое тепловая машина.

Тепловой двигатель

Мы знаем, что тепловой двигатель используется для производства механической энергии с использованием тепловой энергии в качестве источника. Если быть точным, он использует топливо, такое как бензин или дизельное топливо, и преобразует свою химическую энергию в тепловую, сжигая ее. Затем эта тепловая энергия используется для перемещения механических частей, производя таким образом механическую энергию.По определению считается термодинамической системой.

[Изображение будет загружено в ближайшее время]

Давайте рассмотрим систему теплового двигателя, как показано на изображении. Чтобы тепловой двигатель работал, нам нужны три основных компонента. Эти компоненты — двигатель, который производит работу, источник, который обеспечивает тепловую энергию при более высоких показаниях температуры, и сток, используемый для охлаждения двигателя, чтобы защитить двигатель от перегрева. Теперь, когда вы знаете, как работает тепловая машина, мы рассмотрим различные типы тепловых двигателей.

Двигатель внутреннего сгорания

Как следует из названия, сгорание топлива, обычно известное как сгорание, происходит внутри системы. Это широко известно как двигатели IC. Двигатель внутреннего сгорания — это тип теплового двигателя, в котором в качестве источника тепловой энергии используется рабочее топливо, такое как бензин и дизельное топливо. Принцип работы заключается в том, что он производит работу, сжигая топливо и создавая среду с высоким давлением. Это высокое давление затем используется для запуска турбины или поршня, которые преобразуют тепловую энергию в механическую.

Двигатели внутреннего сгорания подразделяются на три основных типа, и они следующие.

Бензиновый двигатель или двигатель с искровым зажиганием: Основной принцип заключается в том, что поршень перемещается вверх и вниз, сжигая топливо с помощью искры.

Дизельный двигатель или двигатель с воспламенением от сжатия: он работает по тому же принципу, что и двигатель с искровым зажиганием. Единственная разница в том, что топливо (дизельное топливо) сжигается за счет создания высокого давления. Обычно используется в большегрузных транспортных средствах.

Газовые турбины: в них используется пар в качестве среды для производства механической энергии вместо топлива. Газовые турбины имеют высокую выходную мощность, но также требуют много места, так как двигатели массивные.

[Изображение будет загружено в ближайшее время]

Преимущества двигателей IC

  • Требуется низкая начальная стоимость.

  • Имеет лучшую механическую простоту.

  • Он может производить более высокую выходную мощность на единицу веса топлива.

  • Эти блоки очень компактны и занимают меньше места.

  • Он имеет лучший тепловой КПД тормоза, так как теряется лишь небольшое количество тепловой энергии.

  • Легкий пуск из холодных условий.

Недостаток двигателей внутреннего сгорания

  • Он не может использовать твердое топливо, такое как уголь, которое намного дешевле бензина или дизельного топлива.

  • Двигатели внутреннего сгорания имеют много движущихся частей; следовательно, он требует большого ухода.

Двигатель внешнего сгорания

Как следует из названия, сжигание топлива, или обычно известное как сгорание, происходит вне системы.Он широко известен как двигатели ЕС. В этом двигателе тепло от сгоревшего топлива передается вторичной жидкости, которая действует как топливо для двигателя.

Примеры: В паровом двигателе теплота сгорания используется для генерации пара, который используется в поршневом двигателе для производства полезной работы.

В газовой турбине замкнутого цикла теплота сгорания во внешней печи передается газу, обычно воздуху, который является рабочим телом цикла.

[Изображение будет загружено в ближайшее время]

Преимущества двигателей EC

  • В качестве основного топлива можно использовать практически любое топливо.

  • Он очень экономичен для выработки значительного количества электроэнергии.

  • Он также может сжигать дрова и использовать солнечную энергию.

  • Его мощность и эффективность не зависят от высоты, и он очень подходит для использования в высокогорных районах.

  • Выбросы двигателя также очень низкие.

Недостатки двигателей с электронным управлением

  • Требуется высокий уровень обслуживания.

  • Двигатель огромен по размеру и требует много места.

  • У таких двигателей очень высокая рабочая температура.

Топ-5 типов тепловых двигателей [со схемой]

Следующие пункты выделяют пять основных типов тепловых двигателей. Типы: 1. Паровой двигатель 2. Поршневой паровой двигатель 3. Двигатель внутреннего сгорания 4. Бензиновый двигатель 5. Дизельный двигатель.

Тип № 1.
Паровой двигатель :

Паровой двигатель преобразует тепловую энергию в механическую. Тепловая энергия, получаемая при сжигании угля, используется для преобразования воды в перегретый пар.Двигатель использует его для механического движения. Чтобы понять последовательность действий, рассмотрим рис. 26.1. Вода из конденсатора нагревается, чтобы нагнетать ее в котел, где она превращается в перегретый пар.

Этот пар попадает в паровой резервуар C 1 через отверстие S, который затем входит в цилиндр через отверстие G 1 или G 2 , где он расширяется по направлению к поршню. В первой части рабочего хода он подключается к котлу, и давление остается постоянным.Затем впускной клапан V закрывается, и пар адиабатически расширяется до конца рабочего хода, вызывая падение давления и температуры пара, и некоторое количество пара конденсируется.

На обратном ходе смесь капель воды и пара вытесняется из цилиндра и попадает в конденсатор, где полностью конденсируется в воду. При этом выделяется количество тепла Q. Затем вода нагнетается в котел насосом питательной воды, и цикл повторяется, когда отверстия G 1 и G 2 периодически закрываются клапаном V.

Цикл Ренкина :

Рабочий цикл паровой машины известен как цикл Ренкина. Он рассматривается как практический цикл паровой машины и является очень близким приближением к идеальному термодинамическому циклу. Он состоит из шести отдельных шагов. Диаграмма индикатора в цикле Ренкина представлена ​​на рис. 26.2. Исходное состояние рабочей системы обозначено точкой d на рисунке.

Шаг 1:

Рассмотрим единицу массы воды, представленную точкой d.Он сжимается реверсивно и адиабатически, достигая точки a по кривой d → a для достижения давления P 2 котла. Точка а находится на той же изотермической при температуре котла Т 2 .

Шаг 2:

Он состоит из реверсивного изобарического нагрева воды от А до А для доведения воды до точки кипения T 1 .

Шаг 3:

Этот этап представляет собой изобарическое и изотермическое испарение, когда рабочее вещество перемещается из A в B при той же температуре T 1 и давлении P 2 до насыщенного пара.

Шаг 4:

На индикаторной диаграмме этот шаг представлен как B → b, когда пар изобарически перегревается до максимальной температуры T.

Шаг 5:

Пятый этап состоит из адиабатического расширения от b до c вдоль bc, когда пар превращается во влажный пар.

Шаг 6:

Заключительный этап цикла — обратимая изобарическая изотермическая конденсация. На индикаторной диаграмме это обозначено как b → c, когда пар превращается в воду в исходном состоянии d и цикл завершен.

После этого рабочее вещество готово к запуску следующего цикла работы. Видно, что на индикаторной диаграмме задействованы три изотермы при температурах T 2 , T 1 и T, где T 2 — температура котла, T 1 — температура конденсатора и значение T больше, чем значение T 1 .

Работа, проделанная циклом, представлена ​​областью ко дну. По многим причинам паровой двигатель не может следовать идеальному циклу Ренкина.Следовательно, КПД реальной паровой машины составляет около 70% от идеального цикла Ренкина.

Эффективность цикла Ренкина :

КПД двигателя по циклу Ренкина ниже, чем у идеального двигателя Карно, работающего между теми же двумя температурами. Разница между ними заключается в том, что обратимое адиабатическое сжатие в цикле Карно заменяется необратимым процессом, в котором питательная вода нагревается от T 2 до T 1 .

Таким образом, часть тепла, поглощаемого в цикле Ренкина, поглощается не при постоянной температуре, а в диапазоне температур от T 2 до T 1 , в то время как все тепло, поглощаемое в цикле Карно, поглощается при постоянной температуре T 1 .

Тип № 2.
Поршневой паровой двигатель :

Механические части поршневого парового двигателя показаны на рис. 26.3. Перегретый пар поступает в пароотделитель (SC) золотникового клапана через паропровод P.Его дальнейшее продвижение регулируется боковым клапаном, который перемещается вперед и назад через три отверстия, известных как порты. Внешний порт ведет к цилиндру, а центральный и выпускной канал (E) огибают заднюю часть цилиндра в выхлопную трубу (EP).

Когда пар входит в цилиндр через N, его давление перемещает поршень P влево. Затем отработанный пар выходит через выхлопную трубу по мере продвижения поршня вперед.

Поршень регулирует положение золотникового клапана.Когда поршень перемещается примерно на одну треть, клапан скользит и закрывает впускную часть. Затем пар в цилиндре расширяется и толкает поршень впереди себя. Он также охлаждает, а тепло превращается в работу. Когда поршень движется в крайнее левое положение, клапан скользит и открывает левую часть.

Затем правая часть подключается к выхлопу. Пар входит слева и перемещает поршень в противоположном направлении. Цикл повторяется снова и снова, и поршень совершает «возвратно-поступательное» движение.Это возвратно-поступательное движение преобразуется во вращательное движение ведущего вала и маховика с помощью специального механического устройства.

Тип № 3.
Двигатель внутреннего сгорания :

Сгорание топлива в двигателях внутреннего сгорания происходит внутри цилиндра двигателя, как в котлах парового двигателя. Двигатель занимает меньше места и подходит для использования с малой мощностью. Тепловой КПД и скорость двигателя внутреннего сгорания выше, чем у парового двигателя.

Принцип:

В двигатель топливо подается в виде пара, смешанного с воздухом. Эта смесь топлива с воздухом сжигается, чтобы создать большую взрывную силу, создаваемую сгоранием топлива, которая приводит поршень в движение. Используемое топливо представляет собой газ, например угольный газ, или жидкость, например бензин, бензол, спирт и т. Д., Которые легко испаряются, или тяжелое масло, например дизельное топливо и т. Д. Когда топливо испаряется, оно образует взрывоопасную смесь. с воздухом.

В общем, двигатели внутреннего сгорания являются четырехтактными двигателями, и им требуется четыре хода поршня для завершения цикла операций внутри цилиндра.

Тип № 4.
Бензиновый двигатель:

Это двигатель внутреннего сгорания. По сути, нет никакой разницы между бензиновым двигателем и любым другим газовым двигателем. Но бензиновый двигатель компактнее и легче. Обычно они используются в автомобилях и самолетах. Это четырехтактный двигатель, который выполняет один цикл после автоматического цикла.

Описание:

На рис. 26.4 показана схема бензинового двигателя. P — поршень из железа. Он может перемещаться вверх и вниз в герметичном цилиндре. Над цилиндром находится камера, называемая камерой сгорания, в которой смесь воздуха и паров бензина воспламеняется электрическими искрами от свечей зажигания, установленных в камере. Затем вход в топливопровод и выход отработавших газов через выхлопную трубу регулируются двумя клапанами: V 1 и V 2 .

Взрывоопасная смесь паров бензина с воздухом создается в устройстве, называемом карбюратором. Зубчатое колесо C 1 и C 2 правильно открывает и закрывает клапаны. C 1 и C 2 соединены с вращающимся валом, который приводится в движение двигателем. Пар бензина, смешанный с воздухом из карбюратора, попадает в двигатель через впускную трубку I. Когда он в достаточной степени сжимается поршнем, он воспламеняется свечой зажигания. И температура, и давление воздуха повышаются до высокого значения, чтобы поршень двигался.

Действие :

Действие бензинового двигателя состоит из четырех тактов в течение полного цикла.

(a) Первый сток (ход зарядки):

Поршень перемещается, чтобы втянуть в цилиндр взрывоопасную смесь воздуха и газообразного топлива через впускной клапан, V 1 [Рис. 26.5 (a)], который затем открывается. Операция проводится при давлении немного выше атмосферного.

(b) Второй ход (ход сжатия):

Поршень совершает обратный ход, движется внутрь и сжимает взрывоопасную смесь.Оба клапана V 1 и V 2 [рис. 26.5 (b)] остаются закрытыми. Поршень сжимает смесь примерно до одной пятой от ее первоначального значения, когда температура достигает 600 ° C (приблизительно) и давление составляет около 5 атмосфер. В конце хода возникают электрические искры.

(c) Третий ход (рабочий ход):

Сразу после взрыва температура и давление сильно увеличиваются. Фактически, температура становится около 2000 ° C, а давление около 15 атмосфер [Рис.26.5 (с)]. Затем поршень резко выдвигается наружу, подвергая газовую смесь адиабатическому расширению до тех пор, пока не будет достигнут начальный объем.

Но тогда давление и температура смеси падают. Этот ход известен как рабочий ход, так как во время такого хода тепловая энергия преобразуется в механическую. В конце этого хода открывается клапан V 2 .

(d) Ход выхлопа:

Поршень далее перемещается внутрь и выталкивает отработанный газ из клапана V 2 .Во время этой операции клапан V 1 остается закрытым [Рис. 26.5 (d)].

Отработанный газ выходит из баллона, и выпускной клапан V 2 закрывается. Поршень начинает выдвигаться наружу, и восстанавливается исходное состояние. Цикл повторяется снова и снова.

Цикл Отто :

Четыре такта бензинового двигателя следуют циклу, называемому циклом Отто. На рис. 26.6 представлена ​​индикаторная диаграмма цикла Отто.

(a) На рисунке AB обозначает первый ход или ход зарядки. При этом такте газовая смесь (пары бензина и воздух) поступает в цилиндр при атмосферном давлении. В точке B температура смеси составляет T 1 , что соответствует температуре окружающей среды.

(b) ВС на индикаторной диаграмме представляет второй ход или такт сжатия. При температуре C температура газовой смеси составляет 600 ° C, а давление составляет около 5 атмосфер. В этот момент пар воспламеняется свечой зажигания, и, следовательно, давление и температура смеси быстро возрастают, но объем остается прежним.Изменение состояния газа нарисовано КД. В точке D давление составляет около 15 атмосфер, а температура — около 2000 ° C.

(c) Третий ход или рабочий ход обозначается буквой DE. Затем газ адиабатически расширяется и выполняет внешнюю работу. В конце штриха состояние обозначается точкой E.

(d) В точке E открывается выпускной клапан. Тогда температура рабочего тела Т 1 , а давление такое же, как атмосферное. Громкость остается неизменной.Изменение показано EB.

(e) На индикаторной диаграмме BA представляет четвертый такт или такт выпуска.

Эффективность цикла Отто :

Для расчета эффективности цикла мы принимаем:

и. Во время такта зарядки и во время такта выпуска давление в цилиндре атмосферное.

ii. Кривые сжатия и расширения BC и DE являются адиабатическими и подчиняются соотношению PV γ = постоянный.

iii. Удельная теплоемкость газа всегда остается постоянной.

iv. Тепло получает газ при постоянном объеме V 2 , когда давление увеличивается из-за взрыва. Тепло отводится также при постоянном объеме V 1 в конце рабочего хода.

Предположим, что в точках B, C, D, E индикаторной диаграммы давления и объемы равны P 1 , P 2 , P 3 , P 4 и V 1 , V 2 , V 3 , V 4 соответственно.Соответствующие абсолютные температуры: T 1 , T 2 , T 3 и T 4 .

Пусть масса рабочего тела 1 г. Из-за сгорания количество тепла, полученного газом между C и D, составляет Q 1 = C V (T 3 — T 2 ) (C V = удельная теплоемкость при постоянном объеме).

Он отклоняет количество тепла Q 2 между E и B, где Q 2 = C V (T 4 — T 1 ).

Следовательно, тепловой КПД,

Тип № 5.
Дизельный двигатель :

Масляный двигатель, разработанный Рудольфом Дизелем, называется дизельным двигателем. По конструкции он похож на бензиновый двигатель. Двигатели широко используются в тяжелых грузовиках, автобусах, насосах и на заводах.

В этом двигателе поршень оказывает очень высокое давление на окружающий воздух. Свеча зажигания здесь заменена дополнительным клапаном, называемым топливным клапаном, и используется для впрыска жидкого топлива.

На рис. 26.7 дизельного двигателя C представляет собой цилиндр или камеру сгорания двигателя, имеющую три отверстия, все из которых снабжены клапанами. Есть впускной клапан V 1 , топливный клапан V 2 и выпускной клапан V 3 . Воздух пропускается через клапан V 1 , масло впрыскивается через второй, а отработанный газ выходит через третий.

Управление всеми клапанами осуществляется рычагами от коленчатого вала.Позади V 2 находится еще один клапан (не показан), который позволяет топливу поступать в цилиндр. Это называется пусковым клапаном. Сжатый воздух, находящийся в баллоне, подключен к трубке для впуска воздуха, а регулирующий кран, подключенный к баллону, контролирует поступление воздуха в баллон.

Топливный клапан V 2 изначально остается закрытым, а регулирующий кран баллона открыт. В результате в цилиндр засасывается сжатый воздух, и двигатель выполняет несколько циклов.При нормальной скорости регулирующий кран закрыт, а топливный кран открыт. Затем топливо поступает в цилиндр, и двигатель начинает свою обычную работу.

Действие:

Рабочий дизельный двигатель четырехтактный.

(a) Всасывающий сток:

Как выпускной, так и топливный клапаны закрыты, но клапан впуска воздуха открыт, и поршень движется наружу. При атмосферном давлении всасывается воздух.

(b) Ход сжатия:

Все три клапана остаются закрытыми, поршень движется внутрь, и воздух адиабатически сжимается примерно до 1/17 своего первоначального объема.В результате значительно повышаются давление и температура.

(c) Рабочий ход:

Воздушный клапан и выпускной клапан закрыты, а топливный клапан открыт в начале хода. Из-за сжатия в предыдущем такте температура воздуха воспламеняет топливо, как только оно впрыскивается в цилиндр. Горение продолжается до тех пор, пока топливный клапан остается открытым, и оно происходит при постоянном давлении. При сгорании газовая смесь адиабатически расширяется, выталкивая поршень наружу.В конце хода выпускной клапан открывается и отработанный газ выходит из цилиндра.

(d) Ход выхлопа:

Воздушный клапан и топливный клапан закрыты, в то время как выпускной клапан остается открытым, а поршень движется внутрь, он отводит отработанный газ через выпускной клапан.

В конце этого хода восстанавливается исходное состояние, и цикл повторяется снова и снова.

Дизельный цикл :

На рис.26.9 приведена индикаторная диаграмма дизельного цикла.

(a) На схеме AB обозначает первый (или такт всасывания), когда воздух при атмосферном давлении всасывается в цилиндр.

(b) Во втором (или такте сжатия) воздух сжимается адиабатически, как показано BC. В конце хода давление составляет около 35 атмосфер, а температура — около 1000 ° C. В это время открывается топливный клапан, и топливо поступает в цилиндр с постоянным давлением, обозначенным символом CD.При сгорании топлива температура смеси в точке D достигает примерно 2000 ° C.

(c) В третьем такте (или рабочем такте) газ адиабатически расширяется, и внешняя работа выполняется двигателем, как показано DE. В конце хода выпускной клапан открывается, и давление падает до B, которое теперь близко к атмосферному.

(d) Четвертый такт (или такт выпуска) обозначается BA, когда отработанная газовая смесь выходит.

КПД дизельного цикла :

Как работают тепловые двигатели?

Как работают тепловые двигатели? — Объясни это Реклама

В наш век топливных элементов и электромобили, паровозы (и даже автомобили с бензиновым двигателем) может показаться ужасно старой технологией. Но посмотрите на историю шире, и вы увидите, что даже самые старые паровой двигатель — действительно очень современное изобретение. Люди были использовать инструменты для увеличения мышечной силы примерно на 2,5 миллионов лет, но только за последние 300 лет или около того мы усовершенствовали искусство создания «мускулов» — машин с приводом от двигателя — которые работают все сами по себе.Другими словами: люди были без двигатели для более чем 99,9 процента нашего существования на Земле!

Теперь у нас есть двигатели, без которых, конечно, не обойтись. их. Кто мог представить себе жизнь без машин, грузовиков, кораблей или самолеты — все они приводились в движение мощными двигателями. И двигатели не просто перемещают нас по миру, они помогают нам его кардинально изменить. От мостов и туннелей до небоскребов и плотины, практически каждое крупное здание и сооружение, построенное людьми за последние пару веков был построен с помощью двигатели — краны, экскаваторы, самосвалы, бульдозеры и т. д. их.Двигатели также подпитывают современную сельскохозяйственную революцию: подавляющая часть всех наших еда теперь собирается или транспортируется с помощью двигателя. Двигатели не заставляют мир идти раунд, но они участвуют практически во всем, что происходит на нашей планете. Давайте подробнее разберемся, что это такое и как они работай!

Рисунок: основная концепция теплового двигателя: машина, которая преобразует тепловую энергию в работу, перемещаясь туда и обратно между высокой и низкой температурой.Типичный тепловой двигатель приводится в действие за счет сжигания топлива (внизу слева) и использует расширяющийся-сжимающийся поршень (вверху в центре) для передачи энергии топлива к вращающемуся колесу (внизу справа).

Что такое тепловая машина?

« Всем известно, что тепло может вызывать движение. В том, что он обладает огромной движущей силой, никто не может сомневаться … ”

Николас Сади Карно, 1824

Двигатель — это машина, которая энергия, заключенная в топливе, превращается в силу и движение.Уголь нет очевидное использование кто угодно: это грязный, старый, каменистый материал, похороненный под землей. Сжечь это в двигателем, и вы можете высвободить содержащуюся в нем энергию, чтобы силовые заводские машины, автомобили, лодки или локомотивы. То же самое верно других видов топлива, таких как природный газ, бензин, древесина и торф. С двигатели работают, сжигая топливо для выделения тепла, иногда они называется тепловых двигателей . Процесс сжигания топлива включает в себя химическая реакция, называемая сгорание , где топливо сгорает в кислород в воздухе для образования углекислого газа и пара.(Как правило, двигатели также загрязняют воздух, потому что топливо не всегда чистое на 100 процентов и не горит идеально.)

Есть два основных типа тепловых двигателей: внешнего сгорания и внутреннего сгорания. сжигание:

  • В двигателе внешнего сгорания топливо горит снаружи и вдали от основной части двигателя, где сила и движение производятся. Хороший пример — паровая машина: уголь горит на одном конце, который нагревает воду для образования пара.Пар подается по трубопроводу в прочный металлический цилиндр , где он перемещает Плотно прилегающий поршень называется поршнем вперед-назад. В движущийся поршень приводит в действие все, к чему прикреплен двигатель (возможно, заводская машина или колеса локомотива). Это внешний двигатель внутреннего сгорания, потому что уголь горит снаружи, а некоторые расстояние от цилиндра и поршня.
  • В двигателе внутреннего сгорания топливо горит внутри цилиндр. Например, в обычном автомобильном двигателе есть что-то вроде четырех-шести отдельных цилиндров, внутри которых бензин постоянно горит кислородом, выделяя тепловую энергию.В цилиндры поочередно «загораются», чтобы двигатель стабильный источник энергии, приводящий в движение колеса автомобиля.

Двигатели внутреннего сгорания, как правило, намного более эффективны, чем внешние двигатели внутреннего сгорания, потому что энергия не тратится впустую на передачу тепла от огонь и бойлер к баллону; все происходит в одном месте.

Иллюстрации: В двигателе внешнего сгорания (таком как паровой двигатель) топливо горит вне цилиндра, и тепло (обычно в виде горячего пара) необходимо отводить на некоторое расстояние.В двигателе внутреннего сгорания (таком как двигатель автомобиля) топливо горит прямо внутри цилиндров, что намного эффективнее.

Как двигатель приводит в действие машину?

В двигателях

используются поршни и цилиндры, поэтому мощность, которую они производят, равна непрерывное возвратно-поступательное движение, толкающее и вытягивающее или возвратно-поступательное движение движение. Проблема в том, что многие машины (и практически все автомобили) полагаются на на вращающихся колесах — другими словами, вращающихся движение. Существуют различные способы поворота возвратно-поступательного движения. движение во вращательное (или наоборот).Если вы когда-нибудь смотрели паровой двигатель гудит, вы заметите, как колеса ведомый кривошипом и шатуном: простой рычажный рычаг, который соединяет одну сторону колеса с поршнем, так что колесо вращается, когда поршень качается вперед и назад.

Альтернативный способ преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное движение использовать шестерни. Вот что гениальный шотландский инженер Джеймс Ватт (1736–1819) решил заняться этим в 1781 году, когда обнаружил кривошипно-шатунный механизм. потребовалось использовать в его усовершенствованной конструкции паровой машины, на самом деле, уже защищен патентом.Дизайн Ватта известен как солнце и планетарная передача шестерня) и состоит из двух или более шестерен колеса, одно из которых (планета) толкается вверх и вниз поршнем стержень, вращающийся вокруг другой шестерни (Солнца) и заставляющий ее вращаться.


Фото: Два способа преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное: Первое фото: Солнце и планетарная шестерня. Когда поршень движется вверх и вниз, шестерни вращаются. Второе фото: В этом токарном станке с ножным приводом просто решена проблема преобразования вертикального движения в круговое.Когда вы нажимаете на педаль (педаль) вверх и вниз, вы заставляете струну подниматься и опускаться. Это заставляет вал, к которому прикреплена струна, вращаться со скоростью, приводя в действие токарный станок и сверло или другой инструмент, прикрепленный к нему. Обе фотографии сделаны в Think Tank, музее науки в Бирмингеме, Англия.

Некоторым двигателям и машинам необходимо преобразовывать вращательное движение в возвратно-поступательное движение. Для этого вам нужно что-то, что работает в путь, противоположный коленчатому валу, а именно кулачок. Камера — это некруглое (обычно яйцевидное) колесо, имеющее что-то вроде бар, опирающийся на него.Когда ось поворачивает колесо, колесо заставляет штангу подниматься и опускаться. Не можете себе это представить? Попробуйте представить себе машину, колеса которой яйцевидной формы. Во время движения колеса (кулачки) поворачиваются как обычно, но кузов автомобиля подпрыгивает и вниз одновременно — поэтому вращательное движение производит возвратно-поступательное движение (подпрыгивание) у пассажиров!

Кулачки работают на всех типах машин. Есть камера в электрическая зубная щетка, которая делает щетка движется вперед и назад, когда внутри вращается электродвигатель.

Рекламные ссылки

Типы двигателей

Фото: Внешнее сгорание: Этот стационарный паровой двигатель использовался для закачки природного газа в дома людей с 1864 года. Фотография сделана в Think Tank.

Существует полдюжины или около того основных типов двигателей, которые вырабатывают энергию за счет сжигания топлива:

Двигатели внешнего сгорания

Балочные двигатели (атмосферные двигатели)

Первые паровые машины были гигантскими машинами, которые заполняли целые здания. и они обычно использовались для откачки воды из затопленных шахт.Первопроходец англичанин Томас Ньюкомен (1663 / 4–1729) в начале 18 века они имели один цилиндр и поршень, прикрепленный к большой балке, которая раскачивалась взад и вперед. Тяжелая балка обычно наклонялась вниз так, чтобы поршень находился высоко в цилиндре. В цилиндр закачивался пар, затем вбрызгивалась вода, охлаждающая пар, создавая частичный вакуум и заставляя луч отклоняться назад наоборот, до того, как процесс повторится. Лучевые двигатели были важным технологическим достижением, но они были слишком большими, медленными и неэффективными, чтобы приводить в действие заводские машины и поезда.

Иллюстрация: Как работает атмосферный (пучковый) двигатель (упрощенно). Двигатель состоит из тяжелой балки (серая), установленной на башне (черная), которая может качаться вверх и вниз. Обычно балка наклоняется вниз и вправо под весом присоединенного к ней насосного оборудования. Водогрейный котел (1) выпускает пар (2) в цилиндр (3). Когда цилиндр заполнен, из бака (4) впрыскивается холодная вода. Это конденсирует пар, создавая более низкое давление в цилиндре.Поскольку атмосферное давление (воздух) над поршнем выше, чем давление под ним, поршень толкается вниз, вся балка наклоняется влево, а насос тянется вверх, вытягивая воду из шахты (5).

Паровые двигатели

В 1760-х годах Джеймс Ватт значительно усовершенствовал паровую машину Ньюкомена, сделав ее меньше, эффективнее и мощнее — и эффективно превращает пар двигатели в более практичные и доступные машины. Работа Ватта привела к стационарному пару двигатели, которые можно использовать на заводах, и компактные движущиеся двигатели которые могли приводить в действие паровозы.Подробнее читайте в нашей статье о паровых двигателях.

Двигатели Стирлинга

Не все двигатели внешнего сгорания огромны и неэффективны. Шотландский священник Роберт Стирлинг (1790–1878) изобрел очень умную двигатель, который имеет два цилиндра с поршнями, приводящими в действие два кривошипа вождение одного колеса. Один цилиндр постоянно остается горячим (нагревается внешней энергией). источник, который может быть чем угодно, от угольного костра до геотермальной энергии поставка), в то время как другой постоянно остается холодным. Двигатель работает перекачивает тот же объем газа (постоянно запечатанный внутри двигатель) вперед и назад между цилиндрами через устройство, называемое регенератор , который помогает сохранять энергию и значительно увеличивает КПД двигателя.Двигатели Стирлинга не обязательно предполагают сгорание, хотя они всегда питаются от внешнего источника тепла. Узнайте больше в нашей основной статье о двигателях Стирлинга.

Фото: Машинный зал Think Tank (музей науки в Бирмингеме, Англия) представляет собой удивительную коллекцию энергетических машин 18 века. Среди экспонатов — огромный паровой двигатель Сметвик, самый старый действующий двигатель в мире. Это не показано на этом снимке, в основном потому, что оно было слишком большим, чтобы его можно было сфотографировать!

Двигатели внутреннего сгорания

Бензиновые двигатели

В середине 19 века несколько европейских инженеров, в том числе Француз Жозеф Этьен Ленуар (1822–1900) и немец Николаус Отто (1832–1891) усовершенствовал двигатели внутреннего сгорания, которые сжигали бензин.Для Карла Бенца (1844–1929) это был короткий шаг. подключить один из этих двигателей к трехколесному перевозки и создать первый в мире автомобиль, работающий на газе. Прочитайте больше в нашей статье о автомобильных двигателях.

Фото: мощный бензиновый двигатель внутреннего сгорания от спортивного автомобиля Jaguar.

Дизельные двигатели

Позже, в 19 веке, другой немецкий инженер, Рудольф Дизель (1858–1913), понял, что может сделать гораздо более мощный внутренний двигатель внутреннего сгорания, который может работать на всех видах топлива.В отличие от бензиновых двигателей, дизельные двигатели сжимают топливо намного сильнее. он самопроизвольно загорается и выделяет тепловую энергию заперт внутри него. Сегодня дизельные двигатели по-прежнему являются предпочтительными машинами для вождения. тяжелые транспортные средства, такие как грузовики, корабли и строительные машины, а также многие автомобили. Подробнее читайте в нашей статье о дизельных двигателях.

Роторные двигатели

Одним из недостатков двигателей внутреннего сгорания является то, что они нужны цилиндры, поршни и вращающийся коленчатый вал, чтобы использовать их мощность: цилиндры неподвижны, поршни и коленчатый вал постоянно двигаются.Роторный двигатель — это кардинально другая конструкция двигателя внутреннего сгорания, в котором «цилиндры» (которые не всегда цилиндры по форме) вращаются вокруг неподвижного коленчатого вала. Хотя роторные двигатели восходят к 19 веку, возможно, наиболее известной конструкцией является относительно современный роторный двигатель Ванкеля , особенно используется в некоторых японских автомобилях Mazda. Статья в Википедии о Роторный двигатель Ванкеля — хорошее вступление с прекрасной небольшой анимацией.

Теоретические двигатели

Фото: Машинист: гениальный Николя Сади Карно, 17 лет.

Пионерами двигателей были инженеры, а не ученые. Ньюкомен и Ватт были скорее практическими «деятелями», чем ломающими голову теоретическими мыслителями. Лишь когда в 1824 году появился француз Николя Сади Карно (1796–1832), то есть спустя более века после того, как Ньюкомен построил свой первый паровой двигатель, были предприняты какие-либо попытки понять эту теорию. о том, как работают двигатели и как их можно улучшить с истинно научной точки зрения. Карно интересовался, как сделать двигатели более эффективными (в другими словами, как можно получить больше энергии из того же количества топлива).Вместо того, чтобы возиться с настоящим паровым двигателем и пытаться его улучшить методом проб и ошибок (такой же подход, который использовал Ватт с двигателем Ньюкомена), он заставил себя теоретический двигатель — на бумаге — и вместо этого поигрался с математикой.

Фото: Паровые двигатели по своей сути неэффективны. Работа Карно говорит нам, что для максимальной эффективности пар в двигателе как будто это нужно перегреть (так что это выше его обычная температура кипения 100 ° C), а затем дать ему максимально расшириться и остыть в цилиндрах, чтобы передать как можно больше энергии поршням.

Цикл Карно

Тепловой двигатель Карно представляет собой довольно простую математическую модель. о том, как в теории может работать наилучший поршневой и цилиндровый двигатель, путем бесконечного повторения четырех шагов, теперь называемых циклом Карно . Мы не собираемся здесь подробно останавливаться на теории или математике (если вам интересно, см. Страница цикла Карно НАСА и превосходные Тепловые двигатели: страница цикла Карно Майкла Фаулера с превосходной флэш-анимацией).

Базовый двигатель Карно состоит из газа, заключенного в цилиндр с поршнем. Газ забирает энергию от источника тепла, расширяется, охлаждается и выталкивает поршень. Когда поршень возвращается в цилиндр, он сжимает и нагревает газ, поэтому газ завершает цикл с точно такими же давлением, объемом и температурой, с которых он был начат. Двигатель Карно не теряет энергии на трение или окружающую среду. Это полностью обратимо — теоретически совершенная и совершенно теоретическая модель того, как работают двигатели.Но это также многое говорит нам о реальных двигателях.

Насколько эффективен двигатель?

Следует отметить вывод, к которому пришел Карно: КПД двигателя (реальная или теоретическая) зависит от максимальной и минимальной температур, между которыми работает . С математической точки зрения, эффективность двигателя Карно, работающего между Tmax (его максимальная температура) и Tmin (его минимальная температура):

(Tmax − Tmin) / Tmax

, где обе температуры измеряются в кельвинах (К).Повышение температуры жидкости внутри цилиндра в начале цикла делает его более эффективным; понижение температуры на противоположном конце цикла также делает его более эффективным. Другими словами, действительно эффективная тепловая машина работает между максимально возможной разницей температур. Другими словами, мы хотим, чтобы Tmax была как можно выше, а Tmin как можно меньше. Вот почему такие вещи, как паровые турбины на электростанциях, должны использовать градирни для максимального охлаждения пара: именно так они могут получить максимум энергии из пара и произвести больше электроэнергии.В реальном мире движущиеся транспортные средства, такие как автомобили и самолеты, очевидно, не могут иметь ничего похожего на градирни, и трудно достичь низких температур Tmin, поэтому мы обычно фокусируемся на повышении Tmax. Настоящие двигатели — в автомобилях, грузовиках, реактивных самолетах и ​​космических ракетах — работают. при чрезвычайно высоких температурах (поэтому они должны быть построены из высокотемпературных материалы, такие как сплавы и керамика).

« Мы не должны ожидать, что когда-либо сможем использовать на практике всю движущую силу горючих материалов. ”

Николас Сади Карно, 1824

Каков максимальный КПД двигателя?

Есть ли предел эффективности теплового двигателя? Да! Tmin никогда не может быть меньше нуля (при абсолютном нуле), поэтому, согласно Согласно приведенному выше уравнению, никакой двигатель не может быть эффективнее, чем Tmax / Tmax = 1, что равно 100-процентной эффективности, и большинство настоящие двигатели даже близко не подходят к этому. Если бы у вас был паровой двигатель, работающий при температуре от 50 ° C до 100 ° C, это будет около 13 процентов эффективности.Чтобы добиться 100-процентной эффективности, вам нужно охладить пар. до абсолютного нуля (−273 ° C или 0K), что, очевидно, невозможно. Даже если бы вы могли охладить его до заморозки (0 ° C или 273K), вы все равно сможете достичь эффективности только на 27 процентов.

Диаграмма

: Тепловые двигатели более эффективны, когда они работают при больших перепадах температур. Предполагая, что минимальная ледяная температура остается постоянной (0 ° C или 273K), эффективность медленно растет по мере увеличения максимальной температуры. Но обратите внимание, что мы получаем убывающую отдачу: с каждым повышением температуры на 50 ° C эффективность с каждым разом растет все меньше.Другими словами, мы никогда не сможем достичь 100-процентной эффективности, просто подняв максимальную температуру.

Это также помогает нам понять, почему более поздние паровые двигатели (впервые разработанные такими инженерами, как Ричард Тревитик) и Оливер Эванс) использовали намного более высокое давление пара , чем те, которые производили такие люди, как Томас Ньюкомен. Двигатели с более высоким давлением были меньше, легче и легче устанавливались на движущихся транспортных средствах, но они также были намного эффективнее: при более высоких давлениях вода закипает при более высоких температурах, и это дает нам большую эффективность.При двойном атмосферном давлении вода закипает при температуре около 120 ° C (393K), что дает КПД 30%. с минимальной температурой 0 ° C; при давлении, в четыре раза превышающем атмосферное, температура кипения составляет 143 ° C (417K), а эффективность приближается к 35 процентам. Это большое улучшение, но до 100 процентов еще далеко. Паровые турбины на электростанциях используют действительно высокое давление (в 200 раз превышающее атмосферное давление). типично). При 200 атмосфер вода закипает при температуре около 365 ° C (~ 640K), что дает максимальную теоретическую эффективность около 56 процентов, если мы также можем охладить воду вплоть до замерзания (и если нет других тепловых потерь или неэффективности).Даже в этих экстремальных и идеальных условиях мы все еще очень далеки от 100-процентной эффективности; реальные турбины с большей вероятностью достигнут 35–45 процентов. Создать эффективные тепловые двигатели намного сложнее, чем кажется!

Рекламные ссылки

Узнать больше

На сайте

На других сайтах

Один из лучших способов понять движки — это посмотреть, как они работают. Вот два очень хороших сайта, которые исследуют широкий спектр различных движков:

  • Анимированные движки. Этот замечательный сайт охватывает практически все виды движков, о которых вы только можете подумать, с простой для понимания анимацией и очень четкими письменными описаниями.
  • Посмотрите, как работают двигатели: Коллекция очень красиво нарисованных анимаций реальных двигателей из Лондонского музея науки. (Архивировано через Wayback Machine.)

Книги

Вводный
  • Шесть легких пьес Ричарда П. Фейнмана. Penguin, 1998. Глава 4 представляет собой очень оригинальное объяснение сохранения энергии, включая довольно простое объяснение того, почему ни один двигатель или машина не являются более эффективными, чем идеально обратимые (идеальные).
Более сложный
Детские книги

Пожалуйста, НЕ копируйте наши статьи в блоги и другие сайты

Статьи с этого сайта зарегистрированы в Бюро регистрации авторских прав США.Копирование или иное использование зарегистрированных работ без разрешения, удаление этого или других уведомлений об авторских правах и / или нарушение смежных прав может привести к серьезным гражданским или уголовным санкциям.

Авторские права на текст © Chris Woodford 2009, 2019. Все права защищены. Полное уведомление об авторских правах и условиях использования.

Подписывайтесь на нас

Сохранить или поделиться этой страницей

Нажмите CTRL + D, чтобы добавить эту страницу в закладки на будущее, или расскажите об этом своим друзьям с помощью:

Цитировать эту страницу

Вудфорд, Крис.(2009/2019) Двигатели. Получено с https://www.explainthatstuff.com/engines.html. [Доступ (укажите дату здесь)]

Больше на нашем сайте …

Как работают тепловые двигатели?

Как работают тепловые двигатели? — Объясни это Реклама

В наш век топливных элементов и электромобили, паровозы (и даже автомобили с бензиновым двигателем) может показаться ужасно старой технологией.Но посмотрите на историю шире, и вы увидите, что даже самые старые паровой двигатель — действительно очень современное изобретение. Люди были использовать инструменты для увеличения мышечной силы примерно на 2,5 миллионов лет, но только за последние 300 лет или около того мы усовершенствовали искусство создания «мускулов» — машин с приводом от двигателя — которые работают все сами по себе. Другими словами: люди были без двигатели для более чем 99,9 процента нашего существования на Земле!

Теперь у нас есть двигатели, без которых, конечно, не обойтись. их.Кто мог представить себе жизнь без машин, грузовиков, кораблей или самолеты — все они приводились в движение мощными двигателями. И двигатели не просто перемещают нас по миру, они помогают нам его кардинально изменить. От мостов и туннелей до небоскребов и плотины, практически каждое крупное здание и сооружение, построенное людьми за последние пару веков был построен с помощью двигатели — краны, экскаваторы, самосвалы, бульдозеры и т. д. их. Двигатели также подпитывают современную сельскохозяйственную революцию: подавляющая часть всех наших еда теперь собирается или транспортируется с помощью двигателя.Двигатели не заставляют мир идти раунд, но они участвуют практически во всем, что происходит на нашей планете. Давайте подробнее разберемся, что это такое и как они работай!

Рисунок: основная концепция теплового двигателя: машина, которая преобразует тепловую энергию в работу, перемещаясь туда и обратно между высокой и низкой температурой. Типичный тепловой двигатель приводится в действие за счет сжигания топлива (внизу слева) и использует расширяющийся-сжимающийся поршень (вверху в центре) для передачи энергии топлива к вращающемуся колесу (внизу справа).

Что такое тепловая машина?

« Всем известно, что тепло может вызывать движение. В том, что он обладает огромной движущей силой, никто не может сомневаться … ”

Николас Сади Карно, 1824

Двигатель — это машина, которая энергия, заключенная в топливе, превращается в силу и движение. Уголь нет очевидное использование кто угодно: это грязный, старый, каменистый материал, похороненный под землей. Сжечь это в двигателем, и вы можете высвободить содержащуюся в нем энергию, чтобы силовые заводские машины, автомобили, лодки или локомотивы.То же самое верно других видов топлива, таких как природный газ, бензин, древесина и торф. С двигатели работают, сжигая топливо для выделения тепла, иногда они называется тепловых двигателей . Процесс сжигания топлива включает в себя химическая реакция, называемая сгорание , где топливо сгорает в кислород в воздухе для образования углекислого газа и пара. (Как правило, двигатели также загрязняют воздух, потому что топливо не всегда чистое на 100 процентов и не горит идеально.)

Есть два основных типа тепловых двигателей: внешнего сгорания и внутреннего сгорания. сжигание:

  • В двигателе внешнего сгорания топливо горит снаружи и вдали от основной части двигателя, где сила и движение производятся.Хороший пример — паровая машина: уголь горит на одном конце, который нагревает воду для образования пара. Пар подается по трубопроводу в прочный металлический цилиндр , где он перемещает Плотно прилегающий поршень называется поршнем вперед-назад. В движущийся поршень приводит в действие все, к чему прикреплен двигатель (возможно, заводская машина или колеса локомотива). Это внешний двигатель внутреннего сгорания, потому что уголь горит снаружи, а некоторые расстояние от цилиндра и поршня.
  • В двигателе внутреннего сгорания топливо горит внутри цилиндр.Например, в обычном автомобильном двигателе есть что-то вроде четырех-шести отдельных цилиндров, внутри которых бензин постоянно горит кислородом, выделяя тепловую энергию. В цилиндры поочередно «загораются», чтобы двигатель стабильный источник энергии, приводящий в движение колеса автомобиля.

Двигатели внутреннего сгорания, как правило, намного более эффективны, чем внешние двигатели внутреннего сгорания, потому что энергия не тратится впустую на передачу тепла от огонь и бойлер к баллону; все происходит в одном месте.

Иллюстрации: В двигателе внешнего сгорания (таком как паровой двигатель) топливо горит вне цилиндра, и тепло (обычно в виде горячего пара) необходимо отводить на некоторое расстояние. В двигателе внутреннего сгорания (таком как двигатель автомобиля) топливо горит прямо внутри цилиндров, что намного эффективнее.

Как двигатель приводит в действие машину?

В двигателях

используются поршни и цилиндры, поэтому мощность, которую они производят, равна непрерывное возвратно-поступательное движение, толкающее и вытягивающее или возвратно-поступательное движение движение.Проблема в том, что многие машины (и практически все автомобили) полагаются на на вращающихся колесах — другими словами, вращающихся движение. Существуют различные способы поворота возвратно-поступательного движения. движение во вращательное (или наоборот). Если вы когда-нибудь смотрели паровой двигатель гудит, вы заметите, как колеса ведомый кривошипом и шатуном: простой рычажный рычаг, который соединяет одну сторону колеса с поршнем, так что колесо вращается, когда поршень качается вперед и назад.

Альтернативный способ преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное движение использовать шестерни. Вот что гениальный шотландский инженер Джеймс Ватт (1736–1819) решил заняться этим в 1781 году, когда обнаружил кривошипно-шатунный механизм. потребовалось использовать в его усовершенствованной конструкции паровой машины, на самом деле, уже защищен патентом. Дизайн Ватта известен как солнце и планетарная передача шестерня) и состоит из двух или более шестерен колеса, одно из которых (планета) толкается вверх и вниз поршнем стержень, вращающийся вокруг другой шестерни (Солнца) и заставляющий ее вращаться.


Фото: Два способа преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное: Первое фото: Солнце и планетарная шестерня. Когда поршень движется вверх и вниз, шестерни вращаются. Второе фото: В этом токарном станке с ножным приводом просто решена проблема преобразования вертикального движения в круговое. Когда вы нажимаете на педаль (педаль) вверх и вниз, вы заставляете струну подниматься и опускаться. Это заставляет вал, к которому прикреплена струна, вращаться со скоростью, приводя в действие токарный станок и сверло или другой инструмент, прикрепленный к нему.Обе фотографии сделаны в Think Tank, музее науки в Бирмингеме, Англия.

Некоторым двигателям и машинам необходимо преобразовывать вращательное движение в возвратно-поступательное движение. Для этого вам нужно что-то, что работает в путь, противоположный коленчатому валу, а именно кулачок. Камера — это некруглое (обычно яйцевидное) колесо, имеющее что-то вроде бар, опирающийся на него. Когда ось поворачивает колесо, колесо заставляет штангу подниматься и опускаться. Не можете себе это представить? Попробуйте представить себе машину, колеса которой яйцевидной формы.Во время движения колеса (кулачки) поворачиваются как обычно, но кузов автомобиля подпрыгивает и вниз одновременно — поэтому вращательное движение производит возвратно-поступательное движение (подпрыгивание) у пассажиров!

Кулачки работают на всех типах машин. Есть камера в электрическая зубная щетка, которая делает щетка движется вперед и назад, когда внутри вращается электродвигатель.

Рекламные ссылки

Типы двигателей

Фото: Внешнее сгорание: Эта стационарная паровая машина использовалась для закачки природного газа в дома людей с 1864 года.Фотография сделана в Think Tank.

Существует полдюжины или около того основных типов двигателей, которые вырабатывают энергию за счет сжигания топлива:

Двигатели внешнего сгорания

Балочные двигатели (атмосферные двигатели)

Первые паровые машины были гигантскими машинами, которые заполняли целые здания. и они обычно использовались для откачки воды из затопленных шахт. Первопроходец англичанин Томас Ньюкомен (1663 / 4–1729) в начале 18 века они имели один цилиндр и поршень, прикрепленный к большой балке, которая раскачивалась взад и вперед.Тяжелая балка обычно наклонялась вниз так, чтобы поршень находился высоко в цилиндре. В цилиндр закачивался пар, затем вбрызгивалась вода, охлаждающая пар, создавая частичный вакуум и заставляя луч отклоняться назад наоборот, до того, как процесс повторится. Лучевые двигатели были важным технологическим достижением, но они были слишком большими, медленными и неэффективными, чтобы приводить в действие заводские машины и поезда.

Иллюстрация: Как работает атмосферный (пучковый) двигатель (упрощенно).Двигатель состоит из тяжелой балки (серая), установленной на башне (черная), которая может качаться вверх и вниз. Обычно балка наклоняется вниз и вправо под весом присоединенного к ней насосного оборудования. Водогрейный котел (1) выпускает пар (2) в цилиндр (3). Когда цилиндр заполнен, из бака (4) впрыскивается холодная вода. Это конденсирует пар, создавая более низкое давление в цилиндре. Поскольку атмосферное давление (воздух) над поршнем выше, чем давление под ним, поршень толкается вниз, вся балка наклоняется влево, а насос тянется вверх, вытягивая воду из шахты (5).

Паровые двигатели

В 1760-х годах Джеймс Ватт значительно усовершенствовал паровую машину Ньюкомена, сделав ее меньше, эффективнее и мощнее — и эффективно превращает пар двигатели в более практичные и доступные машины. Работа Ватта привела к стационарному пару двигатели, которые можно использовать на заводах, и компактные движущиеся двигатели которые могли приводить в действие паровозы. Подробнее читайте в нашей статье о паровых двигателях.

Двигатели Стирлинга

Не все двигатели внешнего сгорания огромны и неэффективны.Шотландский священник Роберт Стирлинг (1790–1878) изобрел очень умную двигатель, который имеет два цилиндра с поршнями, приводящими в действие два кривошипа вождение одного колеса. Один цилиндр постоянно остается горячим (нагревается внешней энергией). источник, который может быть чем угодно, от угольного костра до геотермальной энергии поставка), в то время как другой постоянно остается холодным. Двигатель работает перекачивает тот же объем газа (постоянно запечатанный внутри двигатель) вперед и назад между цилиндрами через устройство, называемое регенератор , который помогает сохранять энергию и значительно увеличивает КПД двигателя.Двигатели Стирлинга не обязательно предполагают сгорание, хотя они всегда питаются от внешнего источника тепла. Узнайте больше в нашей основной статье о двигателях Стирлинга.

Фото: Машинный зал Think Tank (музей науки в Бирмингеме, Англия) представляет собой удивительную коллекцию энергетических машин 18 века. Среди экспонатов — огромный паровой двигатель Сметвик, самый старый действующий двигатель в мире. Это не показано на этом снимке, в основном потому, что оно было слишком большим, чтобы его можно было сфотографировать!

Двигатели внутреннего сгорания

Бензиновые двигатели

В середине 19 века несколько европейских инженеров, в том числе Француз Жозеф Этьен Ленуар (1822–1900) и немец Николаус Отто (1832–1891) усовершенствовал двигатели внутреннего сгорания, которые сжигали бензин.Для Карла Бенца (1844–1929) это был короткий шаг. подключить один из этих двигателей к трехколесному перевозки и создать первый в мире автомобиль, работающий на газе. Прочитайте больше в нашей статье о автомобильных двигателях.

Фото: мощный бензиновый двигатель внутреннего сгорания от спортивного автомобиля Jaguar.

Дизельные двигатели

Позже, в 19 веке, другой немецкий инженер, Рудольф Дизель (1858–1913), понял, что может сделать гораздо более мощный внутренний двигатель внутреннего сгорания, который может работать на всех видах топлива.В отличие от бензиновых двигателей, дизельные двигатели сжимают топливо намного сильнее. он самопроизвольно загорается и выделяет тепловую энергию заперт внутри него. Сегодня дизельные двигатели по-прежнему являются предпочтительными машинами для вождения. тяжелые транспортные средства, такие как грузовики, корабли и строительные машины, а также многие автомобили. Подробнее читайте в нашей статье о дизельных двигателях.

Роторные двигатели

Одним из недостатков двигателей внутреннего сгорания является то, что они нужны цилиндры, поршни и вращающийся коленчатый вал, чтобы использовать их мощность: цилиндры неподвижны, поршни и коленчатый вал постоянно двигаются.Роторный двигатель — это кардинально другая конструкция двигателя внутреннего сгорания, в котором «цилиндры» (которые не всегда цилиндры по форме) вращаются вокруг неподвижного коленчатого вала. Хотя роторные двигатели восходят к 19 веку, возможно, наиболее известной конструкцией является относительно современный роторный двигатель Ванкеля , особенно используется в некоторых японских автомобилях Mazda. Статья в Википедии о Роторный двигатель Ванкеля — хорошее вступление с прекрасной небольшой анимацией.

Теоретические двигатели

Фото: Машинист: гениальный Николя Сади Карно, 17 лет.

Пионерами двигателей были инженеры, а не ученые. Ньюкомен и Ватт были скорее практическими «деятелями», чем ломающими голову теоретическими мыслителями. Лишь когда в 1824 году появился француз Николя Сади Карно (1796–1832), то есть спустя более века после того, как Ньюкомен построил свой первый паровой двигатель, были предприняты какие-либо попытки понять эту теорию. о том, как работают двигатели и как их можно улучшить с истинно научной точки зрения. Карно интересовался, как сделать двигатели более эффективными (в другими словами, как можно получить больше энергии из того же количества топлива).Вместо того, чтобы возиться с настоящим паровым двигателем и пытаться его улучшить методом проб и ошибок (такой же подход, который использовал Ватт с двигателем Ньюкомена), он заставил себя теоретический двигатель — на бумаге — и вместо этого поигрался с математикой.

Фото: Паровые двигатели по своей сути неэффективны. Работа Карно говорит нам, что для максимальной эффективности пар в двигателе как будто это нужно перегреть (так что это выше его обычная температура кипения 100 ° C), а затем дать ему максимально расшириться и остыть в цилиндрах, чтобы передать как можно больше энергии поршням.

Цикл Карно

Тепловой двигатель Карно представляет собой довольно простую математическую модель. о том, как в теории может работать наилучший поршневой и цилиндровый двигатель, путем бесконечного повторения четырех шагов, теперь называемых циклом Карно . Мы не собираемся здесь подробно останавливаться на теории или математике (если вам интересно, см. Страница цикла Карно НАСА и превосходные Тепловые двигатели: страница цикла Карно Майкла Фаулера с превосходной флэш-анимацией).

Базовый двигатель Карно состоит из газа, заключенного в цилиндр с поршнем. Газ забирает энергию от источника тепла, расширяется, охлаждается и выталкивает поршень. Когда поршень возвращается в цилиндр, он сжимает и нагревает газ, поэтому газ завершает цикл с точно такими же давлением, объемом и температурой, с которых он был начат. Двигатель Карно не теряет энергии на трение или окружающую среду. Это полностью обратимо — теоретически совершенная и совершенно теоретическая модель того, как работают двигатели.Но это также многое говорит нам о реальных двигателях.

Насколько эффективен двигатель?

Следует отметить вывод, к которому пришел Карно: КПД двигателя (реальная или теоретическая) зависит от максимальной и минимальной температур, между которыми работает . С математической точки зрения, эффективность двигателя Карно, работающего между Tmax (его максимальная температура) и Tmin (его минимальная температура):

(Tmax − Tmin) / Tmax

, где обе температуры измеряются в кельвинах (К).Повышение температуры жидкости внутри цилиндра в начале цикла делает его более эффективным; понижение температуры на противоположном конце цикла также делает его более эффективным. Другими словами, действительно эффективная тепловая машина работает между максимально возможной разницей температур. Другими словами, мы хотим, чтобы Tmax была как можно выше, а Tmin как можно меньше. Вот почему такие вещи, как паровые турбины на электростанциях, должны использовать градирни для максимального охлаждения пара: именно так они могут получить максимум энергии из пара и произвести больше электроэнергии.В реальном мире движущиеся транспортные средства, такие как автомобили и самолеты, очевидно, не могут иметь ничего похожего на градирни, и трудно достичь низких температур Tmin, поэтому мы обычно фокусируемся на повышении Tmax. Настоящие двигатели — в автомобилях, грузовиках, реактивных самолетах и ​​космических ракетах — работают. при чрезвычайно высоких температурах (поэтому они должны быть построены из высокотемпературных материалы, такие как сплавы и керамика).

« Мы не должны ожидать, что когда-либо сможем использовать на практике всю движущую силу горючих материалов. ”

Николас Сади Карно, 1824

Каков максимальный КПД двигателя?

Есть ли предел эффективности теплового двигателя? Да! Tmin никогда не может быть меньше нуля (при абсолютном нуле), поэтому, согласно Согласно приведенному выше уравнению, никакой двигатель не может быть эффективнее, чем Tmax / Tmax = 1, что равно 100-процентной эффективности, и большинство настоящие двигатели даже близко не подходят к этому. Если бы у вас был паровой двигатель, работающий при температуре от 50 ° C до 100 ° C, это будет около 13 процентов эффективности.Чтобы добиться 100-процентной эффективности, вам нужно охладить пар. до абсолютного нуля (−273 ° C или 0K), что, очевидно, невозможно. Даже если бы вы могли охладить его до заморозки (0 ° C или 273K), вы все равно сможете достичь эффективности только на 27 процентов.

Диаграмма

: Тепловые двигатели более эффективны, когда они работают при больших перепадах температур. Предполагая, что минимальная ледяная температура остается постоянной (0 ° C или 273K), эффективность медленно растет по мере увеличения максимальной температуры. Но обратите внимание, что мы получаем убывающую отдачу: с каждым повышением температуры на 50 ° C эффективность с каждым разом растет все меньше.Другими словами, мы никогда не сможем достичь 100-процентной эффективности, просто подняв максимальную температуру.

Это также помогает нам понять, почему более поздние паровые двигатели (впервые разработанные такими инженерами, как Ричард Тревитик) и Оливер Эванс) использовали намного более высокое давление пара , чем те, которые производили такие люди, как Томас Ньюкомен. Двигатели с более высоким давлением были меньше, легче и легче устанавливались на движущихся транспортных средствах, но они также были намного эффективнее: при более высоких давлениях вода закипает при более высоких температурах, и это дает нам большую эффективность.При двойном атмосферном давлении вода закипает при температуре около 120 ° C (393K), что дает КПД 30%. с минимальной температурой 0 ° C; при давлении, в четыре раза превышающем атмосферное, температура кипения составляет 143 ° C (417K), а эффективность приближается к 35 процентам. Это большое улучшение, но до 100 процентов еще далеко. Паровые турбины на электростанциях используют действительно высокое давление (в 200 раз превышающее атмосферное давление). типично). При 200 атмосфер вода закипает при температуре около 365 ° C (~ 640K), что дает максимальную теоретическую эффективность около 56 процентов, если мы также можем охладить воду вплоть до замерзания (и если нет других тепловых потерь или неэффективности).Даже в этих экстремальных и идеальных условиях мы все еще очень далеки от 100-процентной эффективности; реальные турбины с большей вероятностью достигнут 35–45 процентов. Создать эффективные тепловые двигатели намного сложнее, чем кажется!

Рекламные ссылки

Узнать больше

На сайте

На других сайтах

Один из лучших способов понять движки — это посмотреть, как они работают. Вот два очень хороших сайта, которые исследуют широкий спектр различных движков:

  • Анимированные движки. Этот замечательный сайт охватывает практически все виды движков, о которых вы только можете подумать, с простой для понимания анимацией и очень четкими письменными описаниями.
  • Посмотрите, как работают двигатели: Коллекция очень красиво нарисованных анимаций реальных двигателей из Лондонского музея науки. (Архивировано через Wayback Machine.)

Книги

Вводный
  • Шесть легких пьес Ричарда П. Фейнмана. Penguin, 1998. Глава 4 представляет собой очень оригинальное объяснение сохранения энергии, включая довольно простое объяснение того, почему ни один двигатель или машина не являются более эффективными, чем идеально обратимые (идеальные).
Более сложный
Детские книги

Пожалуйста, НЕ копируйте наши статьи в блоги и другие сайты

Статьи с этого сайта зарегистрированы в Бюро регистрации авторских прав США.Копирование или иное использование зарегистрированных работ без разрешения, удаление этого или других уведомлений об авторских правах и / или нарушение смежных прав может привести к серьезным гражданским или уголовным санкциям.

Авторские права на текст © Chris Woodford 2009, 2019. Все права защищены. Полное уведомление об авторских правах и условиях использования.

Подписывайтесь на нас

Сохранить или поделиться этой страницей

Нажмите CTRL + D, чтобы добавить эту страницу в закладки на будущее, или расскажите об этом своим друзьям с помощью:

Цитировать эту страницу

Вудфорд, Крис.(2009/2019) Двигатели. Получено с https://www.explainthatstuff.com/engines.html. [Доступ (укажите дату здесь)]

Больше на нашем сайте …

Как работают тепловые двигатели?

Как работают тепловые двигатели? — Объясни это Реклама

В наш век топливных элементов и электромобили, паровозы (и даже автомобили с бензиновым двигателем) может показаться ужасно старой технологией.Но посмотрите на историю шире, и вы увидите, что даже самые старые паровой двигатель — действительно очень современное изобретение. Люди были использовать инструменты для увеличения мышечной силы примерно на 2,5 миллионов лет, но только за последние 300 лет или около того мы усовершенствовали искусство создания «мускулов» — машин с приводом от двигателя — которые работают все сами по себе. Другими словами: люди были без двигатели для более чем 99,9 процента нашего существования на Земле!

Теперь у нас есть двигатели, без которых, конечно, не обойтись. их.Кто мог представить себе жизнь без машин, грузовиков, кораблей или самолеты — все они приводились в движение мощными двигателями. И двигатели не просто перемещают нас по миру, они помогают нам его кардинально изменить. От мостов и туннелей до небоскребов и плотины, практически каждое крупное здание и сооружение, построенное людьми за последние пару веков был построен с помощью двигатели — краны, экскаваторы, самосвалы, бульдозеры и т. д. их. Двигатели также подпитывают современную сельскохозяйственную революцию: подавляющая часть всех наших еда теперь собирается или транспортируется с помощью двигателя.Двигатели не заставляют мир идти раунд, но они участвуют практически во всем, что происходит на нашей планете. Давайте подробнее разберемся, что это такое и как они работай!

Рисунок: основная концепция теплового двигателя: машина, которая преобразует тепловую энергию в работу, перемещаясь туда и обратно между высокой и низкой температурой. Типичный тепловой двигатель приводится в действие за счет сжигания топлива (внизу слева) и использует расширяющийся-сжимающийся поршень (вверху в центре) для передачи энергии топлива к вращающемуся колесу (внизу справа).

Что такое тепловая машина?

« Всем известно, что тепло может вызывать движение. В том, что он обладает огромной движущей силой, никто не может сомневаться … ”

Николас Сади Карно, 1824

Двигатель — это машина, которая энергия, заключенная в топливе, превращается в силу и движение. Уголь нет очевидное использование кто угодно: это грязный, старый, каменистый материал, похороненный под землей. Сжечь это в двигателем, и вы можете высвободить содержащуюся в нем энергию, чтобы силовые заводские машины, автомобили, лодки или локомотивы.То же самое верно других видов топлива, таких как природный газ, бензин, древесина и торф. С двигатели работают, сжигая топливо для выделения тепла, иногда они называется тепловых двигателей . Процесс сжигания топлива включает в себя химическая реакция, называемая сгорание , где топливо сгорает в кислород в воздухе для образования углекислого газа и пара. (Как правило, двигатели также загрязняют воздух, потому что топливо не всегда чистое на 100 процентов и не горит идеально.)

Есть два основных типа тепловых двигателей: внешнего сгорания и внутреннего сгорания. сжигание:

  • В двигателе внешнего сгорания топливо горит снаружи и вдали от основной части двигателя, где сила и движение производятся.Хороший пример — паровая машина: уголь горит на одном конце, который нагревает воду для образования пара. Пар подается по трубопроводу в прочный металлический цилиндр , где он перемещает Плотно прилегающий поршень называется поршнем вперед-назад. В движущийся поршень приводит в действие все, к чему прикреплен двигатель (возможно, заводская машина или колеса локомотива). Это внешний двигатель внутреннего сгорания, потому что уголь горит снаружи, а некоторые расстояние от цилиндра и поршня.
  • В двигателе внутреннего сгорания топливо горит внутри цилиндр.Например, в обычном автомобильном двигателе есть что-то вроде четырех-шести отдельных цилиндров, внутри которых бензин постоянно горит кислородом, выделяя тепловую энергию. В цилиндры поочередно «загораются», чтобы двигатель стабильный источник энергии, приводящий в движение колеса автомобиля.

Двигатели внутреннего сгорания, как правило, намного более эффективны, чем внешние двигатели внутреннего сгорания, потому что энергия не тратится впустую на передачу тепла от огонь и бойлер к баллону; все происходит в одном месте.

Иллюстрации: В двигателе внешнего сгорания (таком как паровой двигатель) топливо горит вне цилиндра, и тепло (обычно в виде горячего пара) необходимо отводить на некоторое расстояние. В двигателе внутреннего сгорания (таком как двигатель автомобиля) топливо горит прямо внутри цилиндров, что намного эффективнее.

Как двигатель приводит в действие машину?

В двигателях

используются поршни и цилиндры, поэтому мощность, которую они производят, равна непрерывное возвратно-поступательное движение, толкающее и вытягивающее или возвратно-поступательное движение движение.Проблема в том, что многие машины (и практически все автомобили) полагаются на на вращающихся колесах — другими словами, вращающихся движение. Существуют различные способы поворота возвратно-поступательного движения. движение во вращательное (или наоборот). Если вы когда-нибудь смотрели паровой двигатель гудит, вы заметите, как колеса ведомый кривошипом и шатуном: простой рычажный рычаг, который соединяет одну сторону колеса с поршнем, так что колесо вращается, когда поршень качается вперед и назад.

Альтернативный способ преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное движение использовать шестерни. Вот что гениальный шотландский инженер Джеймс Ватт (1736–1819) решил заняться этим в 1781 году, когда обнаружил кривошипно-шатунный механизм. потребовалось использовать в его усовершенствованной конструкции паровой машины, на самом деле, уже защищен патентом. Дизайн Ватта известен как солнце и планетарная передача шестерня) и состоит из двух или более шестерен колеса, одно из которых (планета) толкается вверх и вниз поршнем стержень, вращающийся вокруг другой шестерни (Солнца) и заставляющий ее вращаться.


Фото: Два способа преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное: Первое фото: Солнце и планетарная шестерня. Когда поршень движется вверх и вниз, шестерни вращаются. Второе фото: В этом токарном станке с ножным приводом просто решена проблема преобразования вертикального движения в круговое. Когда вы нажимаете на педаль (педаль) вверх и вниз, вы заставляете струну подниматься и опускаться. Это заставляет вал, к которому прикреплена струна, вращаться со скоростью, приводя в действие токарный станок и сверло или другой инструмент, прикрепленный к нему.Обе фотографии сделаны в Think Tank, музее науки в Бирмингеме, Англия.

Некоторым двигателям и машинам необходимо преобразовывать вращательное движение в возвратно-поступательное движение. Для этого вам нужно что-то, что работает в путь, противоположный коленчатому валу, а именно кулачок. Камера — это некруглое (обычно яйцевидное) колесо, имеющее что-то вроде бар, опирающийся на него. Когда ось поворачивает колесо, колесо заставляет штангу подниматься и опускаться. Не можете себе это представить? Попробуйте представить себе машину, колеса которой яйцевидной формы.Во время движения колеса (кулачки) поворачиваются как обычно, но кузов автомобиля подпрыгивает и вниз одновременно — поэтому вращательное движение производит возвратно-поступательное движение (подпрыгивание) у пассажиров!

Кулачки работают на всех типах машин. Есть камера в электрическая зубная щетка, которая делает щетка движется вперед и назад, когда внутри вращается электродвигатель.

Рекламные ссылки

Типы двигателей

Фото: Внешнее сгорание: Эта стационарная паровая машина использовалась для закачки природного газа в дома людей с 1864 года.Фотография сделана в Think Tank.

Существует полдюжины или около того основных типов двигателей, которые вырабатывают энергию за счет сжигания топлива:

Двигатели внешнего сгорания

Балочные двигатели (атмосферные двигатели)

Первые паровые машины были гигантскими машинами, которые заполняли целые здания. и они обычно использовались для откачки воды из затопленных шахт. Первопроходец англичанин Томас Ньюкомен (1663 / 4–1729) в начале 18 века они имели один цилиндр и поршень, прикрепленный к большой балке, которая раскачивалась взад и вперед.Тяжелая балка обычно наклонялась вниз так, чтобы поршень находился высоко в цилиндре. В цилиндр закачивался пар, затем вбрызгивалась вода, охлаждающая пар, создавая частичный вакуум и заставляя луч отклоняться назад наоборот, до того, как процесс повторится. Лучевые двигатели были важным технологическим достижением, но они были слишком большими, медленными и неэффективными, чтобы приводить в действие заводские машины и поезда.

Иллюстрация: Как работает атмосферный (пучковый) двигатель (упрощенно).Двигатель состоит из тяжелой балки (серая), установленной на башне (черная), которая может качаться вверх и вниз. Обычно балка наклоняется вниз и вправо под весом присоединенного к ней насосного оборудования. Водогрейный котел (1) выпускает пар (2) в цилиндр (3). Когда цилиндр заполнен, из бака (4) впрыскивается холодная вода. Это конденсирует пар, создавая более низкое давление в цилиндре. Поскольку атмосферное давление (воздух) над поршнем выше, чем давление под ним, поршень толкается вниз, вся балка наклоняется влево, а насос тянется вверх, вытягивая воду из шахты (5).

Паровые двигатели

В 1760-х годах Джеймс Ватт значительно усовершенствовал паровую машину Ньюкомена, сделав ее меньше, эффективнее и мощнее — и эффективно превращает пар двигатели в более практичные и доступные машины. Работа Ватта привела к стационарному пару двигатели, которые можно использовать на заводах, и компактные движущиеся двигатели которые могли приводить в действие паровозы. Подробнее читайте в нашей статье о паровых двигателях.

Двигатели Стирлинга

Не все двигатели внешнего сгорания огромны и неэффективны.Шотландский священник Роберт Стирлинг (1790–1878) изобрел очень умную двигатель, который имеет два цилиндра с поршнями, приводящими в действие два кривошипа вождение одного колеса. Один цилиндр постоянно остается горячим (нагревается внешней энергией). источник, который может быть чем угодно, от угольного костра до геотермальной энергии поставка), в то время как другой постоянно остается холодным. Двигатель работает перекачивает тот же объем газа (постоянно запечатанный внутри двигатель) вперед и назад между цилиндрами через устройство, называемое регенератор , который помогает сохранять энергию и значительно увеличивает КПД двигателя.Двигатели Стирлинга не обязательно предполагают сгорание, хотя они всегда питаются от внешнего источника тепла. Узнайте больше в нашей основной статье о двигателях Стирлинга.

Фото: Машинный зал Think Tank (музей науки в Бирмингеме, Англия) представляет собой удивительную коллекцию энергетических машин 18 века. Среди экспонатов — огромный паровой двигатель Сметвик, самый старый действующий двигатель в мире. Это не показано на этом снимке, в основном потому, что оно было слишком большим, чтобы его можно было сфотографировать!

Двигатели внутреннего сгорания

Бензиновые двигатели

В середине 19 века несколько европейских инженеров, в том числе Француз Жозеф Этьен Ленуар (1822–1900) и немец Николаус Отто (1832–1891) усовершенствовал двигатели внутреннего сгорания, которые сжигали бензин.Для Карла Бенца (1844–1929) это был короткий шаг. подключить один из этих двигателей к трехколесному перевозки и создать первый в мире автомобиль, работающий на газе. Прочитайте больше в нашей статье о автомобильных двигателях.

Фото: мощный бензиновый двигатель внутреннего сгорания от спортивного автомобиля Jaguar.

Дизельные двигатели

Позже, в 19 веке, другой немецкий инженер, Рудольф Дизель (1858–1913), понял, что может сделать гораздо более мощный внутренний двигатель внутреннего сгорания, который может работать на всех видах топлива.В отличие от бензиновых двигателей, дизельные двигатели сжимают топливо намного сильнее. он самопроизвольно загорается и выделяет тепловую энергию заперт внутри него. Сегодня дизельные двигатели по-прежнему являются предпочтительными машинами для вождения. тяжелые транспортные средства, такие как грузовики, корабли и строительные машины, а также многие автомобили. Подробнее читайте в нашей статье о дизельных двигателях.

Роторные двигатели

Одним из недостатков двигателей внутреннего сгорания является то, что они нужны цилиндры, поршни и вращающийся коленчатый вал, чтобы использовать их мощность: цилиндры неподвижны, поршни и коленчатый вал постоянно двигаются.Роторный двигатель — это кардинально другая конструкция двигателя внутреннего сгорания, в котором «цилиндры» (которые не всегда цилиндры по форме) вращаются вокруг неподвижного коленчатого вала. Хотя роторные двигатели восходят к 19 веку, возможно, наиболее известной конструкцией является относительно современный роторный двигатель Ванкеля , особенно используется в некоторых японских автомобилях Mazda. Статья в Википедии о Роторный двигатель Ванкеля — хорошее вступление с прекрасной небольшой анимацией.

Теоретические двигатели

Фото: Машинист: гениальный Николя Сади Карно, 17 лет.

Пионерами двигателей были инженеры, а не ученые. Ньюкомен и Ватт были скорее практическими «деятелями», чем ломающими голову теоретическими мыслителями. Лишь когда в 1824 году появился француз Николя Сади Карно (1796–1832), то есть спустя более века после того, как Ньюкомен построил свой первый паровой двигатель, были предприняты какие-либо попытки понять эту теорию. о том, как работают двигатели и как их можно улучшить с истинно научной точки зрения. Карно интересовался, как сделать двигатели более эффективными (в другими словами, как можно получить больше энергии из того же количества топлива).Вместо того, чтобы возиться с настоящим паровым двигателем и пытаться его улучшить методом проб и ошибок (такой же подход, который использовал Ватт с двигателем Ньюкомена), он заставил себя теоретический двигатель — на бумаге — и вместо этого поигрался с математикой.

Фото: Паровые двигатели по своей сути неэффективны. Работа Карно говорит нам, что для максимальной эффективности пар в двигателе как будто это нужно перегреть (так что это выше его обычная температура кипения 100 ° C), а затем дать ему максимально расшириться и остыть в цилиндрах, чтобы передать как можно больше энергии поршням.

Цикл Карно

Тепловой двигатель Карно представляет собой довольно простую математическую модель. о том, как в теории может работать наилучший поршневой и цилиндровый двигатель, путем бесконечного повторения четырех шагов, теперь называемых циклом Карно . Мы не собираемся здесь подробно останавливаться на теории или математике (если вам интересно, см. Страница цикла Карно НАСА и превосходные Тепловые двигатели: страница цикла Карно Майкла Фаулера с превосходной флэш-анимацией).

Базовый двигатель Карно состоит из газа, заключенного в цилиндр с поршнем. Газ забирает энергию от источника тепла, расширяется, охлаждается и выталкивает поршень. Когда поршень возвращается в цилиндр, он сжимает и нагревает газ, поэтому газ завершает цикл с точно такими же давлением, объемом и температурой, с которых он был начат. Двигатель Карно не теряет энергии на трение или окружающую среду. Это полностью обратимо — теоретически совершенная и совершенно теоретическая модель того, как работают двигатели.Но это также многое говорит нам о реальных двигателях.

Насколько эффективен двигатель?

Следует отметить вывод, к которому пришел Карно: КПД двигателя (реальная или теоретическая) зависит от максимальной и минимальной температур, между которыми работает . С математической точки зрения, эффективность двигателя Карно, работающего между Tmax (его максимальная температура) и Tmin (его минимальная температура):

(Tmax − Tmin) / Tmax

, где обе температуры измеряются в кельвинах (К).Повышение температуры жидкости внутри цилиндра в начале цикла делает его более эффективным; понижение температуры на противоположном конце цикла также делает его более эффективным. Другими словами, действительно эффективная тепловая машина работает между максимально возможной разницей температур. Другими словами, мы хотим, чтобы Tmax была как можно выше, а Tmin как можно меньше. Вот почему такие вещи, как паровые турбины на электростанциях, должны использовать градирни для максимального охлаждения пара: именно так они могут получить максимум энергии из пара и произвести больше электроэнергии.В реальном мире движущиеся транспортные средства, такие как автомобили и самолеты, очевидно, не могут иметь ничего похожего на градирни, и трудно достичь низких температур Tmin, поэтому мы обычно фокусируемся на повышении Tmax. Настоящие двигатели — в автомобилях, грузовиках, реактивных самолетах и ​​космических ракетах — работают. при чрезвычайно высоких температурах (поэтому они должны быть построены из высокотемпературных материалы, такие как сплавы и керамика).

« Мы не должны ожидать, что когда-либо сможем использовать на практике всю движущую силу горючих материалов. ”

Николас Сади Карно, 1824

Каков максимальный КПД двигателя?

Есть ли предел эффективности теплового двигателя? Да! Tmin никогда не может быть меньше нуля (при абсолютном нуле), поэтому, согласно Согласно приведенному выше уравнению, никакой двигатель не может быть эффективнее, чем Tmax / Tmax = 1, что равно 100-процентной эффективности, и большинство настоящие двигатели даже близко не подходят к этому. Если бы у вас был паровой двигатель, работающий при температуре от 50 ° C до 100 ° C, это будет около 13 процентов эффективности.Чтобы добиться 100-процентной эффективности, вам нужно охладить пар. до абсолютного нуля (−273 ° C или 0K), что, очевидно, невозможно. Даже если бы вы могли охладить его до заморозки (0 ° C или 273K), вы все равно сможете достичь эффективности только на 27 процентов.

Диаграмма

: Тепловые двигатели более эффективны, когда они работают при больших перепадах температур. Предполагая, что минимальная ледяная температура остается постоянной (0 ° C или 273K), эффективность медленно растет по мере увеличения максимальной температуры. Но обратите внимание, что мы получаем убывающую отдачу: с каждым повышением температуры на 50 ° C эффективность с каждым разом растет все меньше.Другими словами, мы никогда не сможем достичь 100-процентной эффективности, просто подняв максимальную температуру.

Это также помогает нам понять, почему более поздние паровые двигатели (впервые разработанные такими инженерами, как Ричард Тревитик) и Оливер Эванс) использовали намного более высокое давление пара , чем те, которые производили такие люди, как Томас Ньюкомен. Двигатели с более высоким давлением были меньше, легче и легче устанавливались на движущихся транспортных средствах, но они также были намного эффективнее: при более высоких давлениях вода закипает при более высоких температурах, и это дает нам большую эффективность.При двойном атмосферном давлении вода закипает при температуре около 120 ° C (393K), что дает КПД 30%. с минимальной температурой 0 ° C; при давлении, в четыре раза превышающем атмосферное, температура кипения составляет 143 ° C (417K), а эффективность приближается к 35 процентам. Это большое улучшение, но до 100 процентов еще далеко. Паровые турбины на электростанциях используют действительно высокое давление (в 200 раз превышающее атмосферное давление). типично). При 200 атмосфер вода закипает при температуре около 365 ° C (~ 640K), что дает максимальную теоретическую эффективность около 56 процентов, если мы также можем охладить воду вплоть до замерзания (и если нет других тепловых потерь или неэффективности).Даже в этих экстремальных и идеальных условиях мы все еще очень далеки от 100-процентной эффективности; реальные турбины с большей вероятностью достигнут 35–45 процентов. Создать эффективные тепловые двигатели намного сложнее, чем кажется!

Рекламные ссылки

Узнать больше

На сайте

На других сайтах

Один из лучших способов понять движки — это посмотреть, как они работают. Вот два очень хороших сайта, которые исследуют широкий спектр различных движков:

  • Анимированные движки. Этот замечательный сайт охватывает практически все виды движков, о которых вы только можете подумать, с простой для понимания анимацией и очень четкими письменными описаниями.
  • Посмотрите, как работают двигатели: Коллекция очень красиво нарисованных анимаций реальных двигателей из Лондонского музея науки. (Архивировано через Wayback Machine.)

Книги

Вводный
  • Шесть легких пьес Ричарда П. Фейнмана. Penguin, 1998. Глава 4 представляет собой очень оригинальное объяснение сохранения энергии, включая довольно простое объяснение того, почему ни один двигатель или машина не являются более эффективными, чем идеально обратимые (идеальные).
Более сложный
Детские книги

Пожалуйста, НЕ копируйте наши статьи в блоги и другие сайты

Статьи с этого сайта зарегистрированы в Бюро регистрации авторских прав США.Копирование или иное использование зарегистрированных работ без разрешения, удаление этого или других уведомлений об авторских правах и / или нарушение смежных прав может привести к серьезным гражданским или уголовным санкциям.

Авторские права на текст © Chris Woodford 2009, 2019. Все права защищены. Полное уведомление об авторских правах и условиях использования.

Подписывайтесь на нас

Сохранить или поделиться этой страницей

Нажмите CTRL + D, чтобы добавить эту страницу в закладки на будущее, или расскажите об этом своим друзьям с помощью:

Цитировать эту страницу

Вудфорд, Крис.(2009/2019) Двигатели. Получено с https://www.explainthatstuff.com/engines.html. [Доступ (укажите дату здесь)]

Больше на нашем сайте …

Как работают тепловые двигатели?

Как работают тепловые двигатели? — Объясни это Реклама

В наш век топливных элементов и электромобили, паровозы (и даже автомобили с бензиновым двигателем) может показаться ужасно старой технологией.Но посмотрите на историю шире, и вы увидите, что даже самые старые паровой двигатель — действительно очень современное изобретение. Люди были использовать инструменты для увеличения мышечной силы примерно на 2,5 миллионов лет, но только за последние 300 лет или около того мы усовершенствовали искусство создания «мускулов» — машин с приводом от двигателя — которые работают все сами по себе. Другими словами: люди были без двигатели для более чем 99,9 процента нашего существования на Земле!

Теперь у нас есть двигатели, без которых, конечно, не обойтись. их.Кто мог представить себе жизнь без машин, грузовиков, кораблей или самолеты — все они приводились в движение мощными двигателями. И двигатели не просто перемещают нас по миру, они помогают нам его кардинально изменить. От мостов и туннелей до небоскребов и плотины, практически каждое крупное здание и сооружение, построенное людьми за последние пару веков был построен с помощью двигатели — краны, экскаваторы, самосвалы, бульдозеры и т. д. их. Двигатели также подпитывают современную сельскохозяйственную революцию: подавляющая часть всех наших еда теперь собирается или транспортируется с помощью двигателя.Двигатели не заставляют мир идти раунд, но они участвуют практически во всем, что происходит на нашей планете. Давайте подробнее разберемся, что это такое и как они работай!

Рисунок: основная концепция теплового двигателя: машина, которая преобразует тепловую энергию в работу, перемещаясь туда и обратно между высокой и низкой температурой. Типичный тепловой двигатель приводится в действие за счет сжигания топлива (внизу слева) и использует расширяющийся-сжимающийся поршень (вверху в центре) для передачи энергии топлива к вращающемуся колесу (внизу справа).

Что такое тепловая машина?

« Всем известно, что тепло может вызывать движение. В том, что он обладает огромной движущей силой, никто не может сомневаться … ”

Николас Сади Карно, 1824

Двигатель — это машина, которая энергия, заключенная в топливе, превращается в силу и движение. Уголь нет очевидное использование кто угодно: это грязный, старый, каменистый материал, похороненный под землей. Сжечь это в двигателем, и вы можете высвободить содержащуюся в нем энергию, чтобы силовые заводские машины, автомобили, лодки или локомотивы.То же самое верно других видов топлива, таких как природный газ, бензин, древесина и торф. С двигатели работают, сжигая топливо для выделения тепла, иногда они называется тепловых двигателей . Процесс сжигания топлива включает в себя химическая реакция, называемая сгорание , где топливо сгорает в кислород в воздухе для образования углекислого газа и пара. (Как правило, двигатели также загрязняют воздух, потому что топливо не всегда чистое на 100 процентов и не горит идеально.)

Есть два основных типа тепловых двигателей: внешнего сгорания и внутреннего сгорания. сжигание:

  • В двигателе внешнего сгорания топливо горит снаружи и вдали от основной части двигателя, где сила и движение производятся.Хороший пример — паровая машина: уголь горит на одном конце, который нагревает воду для образования пара. Пар подается по трубопроводу в прочный металлический цилиндр , где он перемещает Плотно прилегающий поршень называется поршнем вперед-назад. В движущийся поршень приводит в действие все, к чему прикреплен двигатель (возможно, заводская машина или колеса локомотива). Это внешний двигатель внутреннего сгорания, потому что уголь горит снаружи, а некоторые расстояние от цилиндра и поршня.
  • В двигателе внутреннего сгорания топливо горит внутри цилиндр.Например, в обычном автомобильном двигателе есть что-то вроде четырех-шести отдельных цилиндров, внутри которых бензин постоянно горит кислородом, выделяя тепловую энергию. В цилиндры поочередно «загораются», чтобы двигатель стабильный источник энергии, приводящий в движение колеса автомобиля.

Двигатели внутреннего сгорания, как правило, намного более эффективны, чем внешние двигатели внутреннего сгорания, потому что энергия не тратится впустую на передачу тепла от огонь и бойлер к баллону; все происходит в одном месте.

Иллюстрации: В двигателе внешнего сгорания (таком как паровой двигатель) топливо горит вне цилиндра, и тепло (обычно в виде горячего пара) необходимо отводить на некоторое расстояние. В двигателе внутреннего сгорания (таком как двигатель автомобиля) топливо горит прямо внутри цилиндров, что намного эффективнее.

Как двигатель приводит в действие машину?

В двигателях

используются поршни и цилиндры, поэтому мощность, которую они производят, равна непрерывное возвратно-поступательное движение, толкающее и вытягивающее или возвратно-поступательное движение движение.Проблема в том, что многие машины (и практически все автомобили) полагаются на на вращающихся колесах — другими словами, вращающихся движение. Существуют различные способы поворота возвратно-поступательного движения. движение во вращательное (или наоборот). Если вы когда-нибудь смотрели паровой двигатель гудит, вы заметите, как колеса ведомый кривошипом и шатуном: простой рычажный рычаг, который соединяет одну сторону колеса с поршнем, так что колесо вращается, когда поршень качается вперед и назад.

Альтернативный способ преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное движение использовать шестерни. Вот что гениальный шотландский инженер Джеймс Ватт (1736–1819) решил заняться этим в 1781 году, когда обнаружил кривошипно-шатунный механизм. потребовалось использовать в его усовершенствованной конструкции паровой машины, на самом деле, уже защищен патентом. Дизайн Ватта известен как солнце и планетарная передача шестерня) и состоит из двух или более шестерен колеса, одно из которых (планета) толкается вверх и вниз поршнем стержень, вращающийся вокруг другой шестерни (Солнца) и заставляющий ее вращаться.


Фото: Два способа преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное: Первое фото: Солнце и планетарная шестерня. Когда поршень движется вверх и вниз, шестерни вращаются. Второе фото: В этом токарном станке с ножным приводом просто решена проблема преобразования вертикального движения в круговое. Когда вы нажимаете на педаль (педаль) вверх и вниз, вы заставляете струну подниматься и опускаться. Это заставляет вал, к которому прикреплена струна, вращаться со скоростью, приводя в действие токарный станок и сверло или другой инструмент, прикрепленный к нему.Обе фотографии сделаны в Think Tank, музее науки в Бирмингеме, Англия.

Некоторым двигателям и машинам необходимо преобразовывать вращательное движение в возвратно-поступательное движение. Для этого вам нужно что-то, что работает в путь, противоположный коленчатому валу, а именно кулачок. Камера — это некруглое (обычно яйцевидное) колесо, имеющее что-то вроде бар, опирающийся на него. Когда ось поворачивает колесо, колесо заставляет штангу подниматься и опускаться. Не можете себе это представить? Попробуйте представить себе машину, колеса которой яйцевидной формы.Во время движения колеса (кулачки) поворачиваются как обычно, но кузов автомобиля подпрыгивает и вниз одновременно — поэтому вращательное движение производит возвратно-поступательное движение (подпрыгивание) у пассажиров!

Кулачки работают на всех типах машин. Есть камера в электрическая зубная щетка, которая делает щетка движется вперед и назад, когда внутри вращается электродвигатель.

Рекламные ссылки

Типы двигателей

Фото: Внешнее сгорание: Эта стационарная паровая машина использовалась для закачки природного газа в дома людей с 1864 года.Фотография сделана в Think Tank.

Существует полдюжины или около того основных типов двигателей, которые вырабатывают энергию за счет сжигания топлива:

Двигатели внешнего сгорания

Балочные двигатели (атмосферные двигатели)

Первые паровые машины были гигантскими машинами, которые заполняли целые здания. и они обычно использовались для откачки воды из затопленных шахт. Первопроходец англичанин Томас Ньюкомен (1663 / 4–1729) в начале 18 века они имели один цилиндр и поршень, прикрепленный к большой балке, которая раскачивалась взад и вперед.Тяжелая балка обычно наклонялась вниз так, чтобы поршень находился высоко в цилиндре. В цилиндр закачивался пар, затем вбрызгивалась вода, охлаждающая пар, создавая частичный вакуум и заставляя луч отклоняться назад наоборот, до того, как процесс повторится. Лучевые двигатели были важным технологическим достижением, но они были слишком большими, медленными и неэффективными, чтобы приводить в действие заводские машины и поезда.

Иллюстрация: Как работает атмосферный (пучковый) двигатель (упрощенно).Двигатель состоит из тяжелой балки (серая), установленной на башне (черная), которая может качаться вверх и вниз. Обычно балка наклоняется вниз и вправо под весом присоединенного к ней насосного оборудования. Водогрейный котел (1) выпускает пар (2) в цилиндр (3). Когда цилиндр заполнен, из бака (4) впрыскивается холодная вода. Это конденсирует пар, создавая более низкое давление в цилиндре. Поскольку атмосферное давление (воздух) над поршнем выше, чем давление под ним, поршень толкается вниз, вся балка наклоняется влево, а насос тянется вверх, вытягивая воду из шахты (5).

Паровые двигатели

В 1760-х годах Джеймс Ватт значительно усовершенствовал паровую машину Ньюкомена, сделав ее меньше, эффективнее и мощнее — и эффективно превращает пар двигатели в более практичные и доступные машины. Работа Ватта привела к стационарному пару двигатели, которые можно использовать на заводах, и компактные движущиеся двигатели которые могли приводить в действие паровозы. Подробнее читайте в нашей статье о паровых двигателях.

Двигатели Стирлинга

Не все двигатели внешнего сгорания огромны и неэффективны.Шотландский священник Роберт Стирлинг (1790–1878) изобрел очень умную двигатель, который имеет два цилиндра с поршнями, приводящими в действие два кривошипа вождение одного колеса. Один цилиндр постоянно остается горячим (нагревается внешней энергией). источник, который может быть чем угодно, от угольного костра до геотермальной энергии поставка), в то время как другой постоянно остается холодным. Двигатель работает перекачивает тот же объем газа (постоянно запечатанный внутри двигатель) вперед и назад между цилиндрами через устройство, называемое регенератор , который помогает сохранять энергию и значительно увеличивает КПД двигателя.Двигатели Стирлинга не обязательно предполагают сгорание, хотя они всегда питаются от внешнего источника тепла. Узнайте больше в нашей основной статье о двигателях Стирлинга.

Фото: Машинный зал Think Tank (музей науки в Бирмингеме, Англия) представляет собой удивительную коллекцию энергетических машин 18 века. Среди экспонатов — огромный паровой двигатель Сметвик, самый старый действующий двигатель в мире. Это не показано на этом снимке, в основном потому, что оно было слишком большим, чтобы его можно было сфотографировать!

Двигатели внутреннего сгорания

Бензиновые двигатели

В середине 19 века несколько европейских инженеров, в том числе Француз Жозеф Этьен Ленуар (1822–1900) и немец Николаус Отто (1832–1891) усовершенствовал двигатели внутреннего сгорания, которые сжигали бензин.Для Карла Бенца (1844–1929) это был короткий шаг. подключить один из этих двигателей к трехколесному перевозки и создать первый в мире автомобиль, работающий на газе. Прочитайте больше в нашей статье о автомобильных двигателях.

Фото: мощный бензиновый двигатель внутреннего сгорания от спортивного автомобиля Jaguar.

Дизельные двигатели

Позже, в 19 веке, другой немецкий инженер, Рудольф Дизель (1858–1913), понял, что может сделать гораздо более мощный внутренний двигатель внутреннего сгорания, который может работать на всех видах топлива.В отличие от бензиновых двигателей, дизельные двигатели сжимают топливо намного сильнее. он самопроизвольно загорается и выделяет тепловую энергию заперт внутри него. Сегодня дизельные двигатели по-прежнему являются предпочтительными машинами для вождения. тяжелые транспортные средства, такие как грузовики, корабли и строительные машины, а также многие автомобили. Подробнее читайте в нашей статье о дизельных двигателях.

Роторные двигатели

Одним из недостатков двигателей внутреннего сгорания является то, что они нужны цилиндры, поршни и вращающийся коленчатый вал, чтобы использовать их мощность: цилиндры неподвижны, поршни и коленчатый вал постоянно двигаются.Роторный двигатель — это кардинально другая конструкция двигателя внутреннего сгорания, в котором «цилиндры» (которые не всегда цилиндры по форме) вращаются вокруг неподвижного коленчатого вала. Хотя роторные двигатели восходят к 19 веку, возможно, наиболее известной конструкцией является относительно современный роторный двигатель Ванкеля , особенно используется в некоторых японских автомобилях Mazda. Статья в Википедии о Роторный двигатель Ванкеля — хорошее вступление с прекрасной небольшой анимацией.

Теоретические двигатели

Фото: Машинист: гениальный Николя Сади Карно, 17 лет.

Пионерами двигателей были инженеры, а не ученые. Ньюкомен и Ватт были скорее практическими «деятелями», чем ломающими голову теоретическими мыслителями. Лишь когда в 1824 году появился француз Николя Сади Карно (1796–1832), то есть спустя более века после того, как Ньюкомен построил свой первый паровой двигатель, были предприняты какие-либо попытки понять эту теорию. о том, как работают двигатели и как их можно улучшить с истинно научной точки зрения. Карно интересовался, как сделать двигатели более эффективными (в другими словами, как можно получить больше энергии из того же количества топлива).Вместо того, чтобы возиться с настоящим паровым двигателем и пытаться его улучшить методом проб и ошибок (такой же подход, который использовал Ватт с двигателем Ньюкомена), он заставил себя теоретический двигатель — на бумаге — и вместо этого поигрался с математикой.

Фото: Паровые двигатели по своей сути неэффективны. Работа Карно говорит нам, что для максимальной эффективности пар в двигателе как будто это нужно перегреть (так что это выше его обычная температура кипения 100 ° C), а затем дать ему максимально расшириться и остыть в цилиндрах, чтобы передать как можно больше энергии поршням.

Цикл Карно

Тепловой двигатель Карно представляет собой довольно простую математическую модель. о том, как в теории может работать наилучший поршневой и цилиндровый двигатель, путем бесконечного повторения четырех шагов, теперь называемых циклом Карно . Мы не собираемся здесь подробно останавливаться на теории или математике (если вам интересно, см. Страница цикла Карно НАСА и превосходные Тепловые двигатели: страница цикла Карно Майкла Фаулера с превосходной флэш-анимацией).

Базовый двигатель Карно состоит из газа, заключенного в цилиндр с поршнем. Газ забирает энергию от источника тепла, расширяется, охлаждается и выталкивает поршень. Когда поршень возвращается в цилиндр, он сжимает и нагревает газ, поэтому газ завершает цикл с точно такими же давлением, объемом и температурой, с которых он был начат. Двигатель Карно не теряет энергии на трение или окружающую среду. Это полностью обратимо — теоретически совершенная и совершенно теоретическая модель того, как работают двигатели.Но это также многое говорит нам о реальных двигателях.

Насколько эффективен двигатель?

Следует отметить вывод, к которому пришел Карно: КПД двигателя (реальная или теоретическая) зависит от максимальной и минимальной температур, между которыми работает . С математической точки зрения, эффективность двигателя Карно, работающего между Tmax (его максимальная температура) и Tmin (его минимальная температура):

(Tmax − Tmin) / Tmax

, где обе температуры измеряются в кельвинах (К).Повышение температуры жидкости внутри цилиндра в начале цикла делает его более эффективным; понижение температуры на противоположном конце цикла также делает его более эффективным. Другими словами, действительно эффективная тепловая машина работает между максимально возможной разницей температур. Другими словами, мы хотим, чтобы Tmax была как можно выше, а Tmin как можно меньше. Вот почему такие вещи, как паровые турбины на электростанциях, должны использовать градирни для максимального охлаждения пара: именно так они могут получить максимум энергии из пара и произвести больше электроэнергии.В реальном мире движущиеся транспортные средства, такие как автомобили и самолеты, очевидно, не могут иметь ничего похожего на градирни, и трудно достичь низких температур Tmin, поэтому мы обычно фокусируемся на повышении Tmax. Настоящие двигатели — в автомобилях, грузовиках, реактивных самолетах и ​​космических ракетах — работают. при чрезвычайно высоких температурах (поэтому они должны быть построены из высокотемпературных материалы, такие как сплавы и керамика).

« Мы не должны ожидать, что когда-либо сможем использовать на практике всю движущую силу горючих материалов. ”

Николас Сади Карно, 1824

Каков максимальный КПД двигателя?

Есть ли предел эффективности теплового двигателя? Да! Tmin никогда не может быть меньше нуля (при абсолютном нуле), поэтому, согласно Согласно приведенному выше уравнению, никакой двигатель не может быть эффективнее, чем Tmax / Tmax = 1, что равно 100-процентной эффективности, и большинство настоящие двигатели даже близко не подходят к этому. Если бы у вас был паровой двигатель, работающий при температуре от 50 ° C до 100 ° C, это будет около 13 процентов эффективности.Чтобы добиться 100-процентной эффективности, вам нужно охладить пар. до абсолютного нуля (−273 ° C или 0K), что, очевидно, невозможно. Даже если бы вы могли охладить его до заморозки (0 ° C или 273K), вы все равно сможете достичь эффективности только на 27 процентов.

Диаграмма

: Тепловые двигатели более эффективны, когда они работают при больших перепадах температур. Предполагая, что минимальная ледяная температура остается постоянной (0 ° C или 273K), эффективность медленно растет по мере увеличения максимальной температуры. Но обратите внимание, что мы получаем убывающую отдачу: с каждым повышением температуры на 50 ° C эффективность с каждым разом растет все меньше.Другими словами, мы никогда не сможем достичь 100-процентной эффективности, просто подняв максимальную температуру.

Это также помогает нам понять, почему более поздние паровые двигатели (впервые разработанные такими инженерами, как Ричард Тревитик) и Оливер Эванс) использовали намного более высокое давление пара , чем те, которые производили такие люди, как Томас Ньюкомен. Двигатели с более высоким давлением были меньше, легче и легче устанавливались на движущихся транспортных средствах, но они также были намного эффективнее: при более высоких давлениях вода закипает при более высоких температурах, и это дает нам большую эффективность.При двойном атмосферном давлении вода закипает при температуре около 120 ° C (393K), что дает КПД 30%. с минимальной температурой 0 ° C; при давлении, в четыре раза превышающем атмосферное, температура кипения составляет 143 ° C (417K), а эффективность приближается к 35 процентам. Это большое улучшение, но до 100 процентов еще далеко. Паровые турбины на электростанциях используют действительно высокое давление (в 200 раз превышающее атмосферное давление). типично). При 200 атмосфер вода закипает при температуре около 365 ° C (~ 640K), что дает максимальную теоретическую эффективность около 56 процентов, если мы также можем охладить воду вплоть до замерзания (и если нет других тепловых потерь или неэффективности).Даже в этих экстремальных и идеальных условиях мы все еще очень далеки от 100-процентной эффективности; реальные турбины с большей вероятностью достигнут 35–45 процентов. Создать эффективные тепловые двигатели намного сложнее, чем кажется!

Рекламные ссылки

Узнать больше

На сайте

На других сайтах

Один из лучших способов понять движки — это посмотреть, как они работают. Вот два очень хороших сайта, которые исследуют широкий спектр различных движков:

  • Анимированные движки. Этот замечательный сайт охватывает практически все виды движков, о которых вы только можете подумать, с простой для понимания анимацией и очень четкими письменными описаниями.
  • Посмотрите, как работают двигатели: Коллекция очень красиво нарисованных анимаций реальных двигателей из Лондонского музея науки. (Архивировано через Wayback Machine.)

Книги

Вводный
  • Шесть легких пьес Ричарда П. Фейнмана. Penguin, 1998. Глава 4 представляет собой очень оригинальное объяснение сохранения энергии, включая довольно простое объяснение того, почему ни один двигатель или машина не являются более эффективными, чем идеально обратимые (идеальные).
Более сложный
Детские книги

Пожалуйста, НЕ копируйте наши статьи в блоги и другие сайты

Статьи с этого сайта зарегистрированы в Бюро регистрации авторских прав США.Копирование или иное использование зарегистрированных работ без разрешения, удаление этого или других уведомлений об авторских правах и / или нарушение смежных прав может привести к серьезным гражданским или уголовным санкциям.

Авторские права на текст © Chris Woodford 2009, 2019. Все права защищены. Полное уведомление об авторских правах и условиях использования.

Подписывайтесь на нас

Сохранить или поделиться этой страницей

Нажмите CTRL + D, чтобы добавить эту страницу в закладки на будущее, или расскажите об этом своим друзьям с помощью:

Цитировать эту страницу

Вудфорд, Крис.(2009/2019) Двигатели. Получено с https://www.explainthatstuff.com/engines.html. [Доступ (укажите дату здесь)]

Больше на нашем сайте …

Типы тепловых двигателей — Пример теплового двигателя

В целом тепловые двигатели классифицируются в зависимости от места сгорания следующим образом:

  • Двигатель внешнего сгорания
  • Двигатель внутреннего сгорания

Подробная категоризация основана на рабочая жидкость, используемая в термодинамическом цикле:

  • Циклы газа
  • Циклы жидкости
  • Циклы с фазовыми изменениями

В целом тепловые двигатели классифицируются в соответствии с местом сгорания как:

  • Двигатель внешнего сгорания. Например, паровые двигатели — это двигатели внешнего сгорания, в которых рабочая жидкость отделена от продуктов сгорания.
  • Двигатель внутреннего сгорания. Типичным примером двигателя внутреннего сгорания является двигатель, используемый в автомобиле, в котором высокая температура достигается за счет сжигания бензиново-воздушной смеси в самом цилиндре.

Подробная категоризация основана на рабочем теле, используемом в термодинамическом цикле:

  • Газовые циклы. В этих циклах рабочим телом всегда является газ. Цикл Отто и дизельный цикл (используемый в автомобилях) также являются типичными примерами газовых циклов. Современные газотурбинные двигатели и воздушно-реактивные двигатели также основаны на газовом цикле, они следуют циклу Брайтона.
  • Циклы жидкости. Циклы только с жидкостью довольно экзотичны. В этих циклах рабочая жидкость всегда является жидкостью. Жидкостный двигатель Malone является примером цикла, работающего только на жидкости. Жидкостный двигатель Мэлоуна был модификацией цикла Стирлинга, в котором в качестве рабочего тела использовалась вода вместо газа.
  • Циклы с фазовыми переходами. Паровые двигатели являются типичными примерами внешних двигателей с фазовым переходом рабочего тела.

Пример теплового двигателя

Цикл Ренкина подробно описывает процессы в паровых тепловых двигателях, обычно встречающихся на большинстве тепловых электростанций.

Паровые двигатели и холодильники являются типичными примерами внешних двигателей с фазовым переходом рабочего тела. Типичный термодинамический цикл, используемый для анализа этого процесса, называется циклом Ренкина , который обычно использует воду в качестве рабочей жидкости.

Цикл Ренкина подробно описывает процессы в паровых тепловых двигателях, обычно встречающихся на большинстве из тепловых электростанций . Источниками тепла, используемыми на этих электростанциях, обычно являются сжигание ископаемого топлива, такого как уголь, природный газ, а также ядерное деление .

АЭС (атомная электростанция) выглядит как стандартная тепловая электростанция с одним исключением. Источником тепла на АЭС является ядерный реактор .Как обычно на всех традиционных тепловых электростанциях, тепло используется для выработки пара, который приводит в действие паровую турбину, соединенную с генератором, вырабатывающим электроэнергию. Цикл Ранкина — термодинамика как наука о преобразовании энергии

Обычно большинство из атомных электростанций эксплуатирует мульти паровые конденсационные турбины . В этих турбинах ступень высокого давления принимает пар (этот пар является почти насыщенным паром — x = 0,995 — точка C на рисунке; ​​ 6 МПа ; 275.6 ° C) из парогенератора и отводят его в сепаратор-подогреватель влаги (точка D). Пар необходимо повторно нагреть, чтобы избежать повреждений, которые могут быть нанесены лопаткам паровой турбины паром низкого качества. Подогреватель нагревает пар (точка D), а затем пар направляется в ступень низкого давления паровой турбины, где расширяется (точка от E до F). Затем отработанный пар конденсируется в конденсаторе, и он находится под давлением значительно ниже атмосферного (абсолютное давление 0,008 МПа ) и находится в частично конденсированном состоянии (точка F), как правило, с качеством около 90%.

В этом случае парогенераторы, паровая турбина, конденсаторы и насосы питательной воды составляют тепловую машину, на которую распространяются ограничения эффективности, налагаемые вторым законом термодинамики . В идеальном случае (отсутствие трения, обратимые процессы, идеальная конструкция) этот тепловой двигатель будет иметь КПД Карно

= 1 — T холодный / T горячий = 1 — 315/549 = 42,6%

, где температура горячего резервуара 275,6 ° С (548,7К), температура холодного резервуара 41.5 ° С (314,7 К). Но атомная электростанция — это настоящая тепловая машина , в которой термодинамические процессы почему-то необратимы. Они не делаются бесконечно медленно. В реальных устройствах (таких как турбины, насосы и компрессоры) механическое трение и тепловые потери 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 МВт электроэнергии требуется 3000 МВт тепл. тепловой энергии от реакции деления.

Согласно принципу Карно более высокая эффективность может быть достигнута за счет повышения температуры пара . Но для этого требуется повышение давления внутри котлов или парогенераторов. Однако металлургические соображения устанавливают верхний предел такого давления. С этой точки зрения реакторы со сверхкритической водой считаются многообещающим достижением для атомных электростанций из-за его высокого теплового КПД (~ 45% против ~ 33% для текущих LWR).SCWR работают при сверхкритическом давлении (т.е. более 22,1 МПа).

Ссылки:

Ядерная и реакторная физика:
  1. Дж. Р. Ламарш, Введение в теорию ядерных реакторов, 2-е изд., Addison-Wesley, Reading, MA (1983).
  2. Дж. Р. Ламарш, А. Дж. Баратта, Введение в ядерную инженерию, 3-е изд., Прентис-Холл, 2001, ISBN: 0-201-82498-1.
  3. У. М. Стейси, Физика ядерных реакторов, John Wiley & Sons, 2001, ISBN: 0-471-39127-1.
  4. Гласстон, Сесонске. Nuclear Reactor Engineering: Reactor Systems Engineering, Springer; 4-е издание, 1994 г., ISBN: 978-0412985317
  5. W.S.C. Уильямс. Ядерная физика и физика элементарных частиц. Кларендон Пресс; 1 издание, 1991 г., ISBN: 978-0198520467
  6. Кеннет С. Крейн. Введение в ядерную физику, 3-е издание, Wiley, 1987, ISBN: 978-0471805533
  7. Г. Р. Кипин. Физика ядерной кинетики. Аддисон-Уэсли Паб. Co; 1-е издание, 1965 г.
  8. Роберт Рид Берн, Введение в эксплуатацию ядерных реакторов, 1988 г.
  9. Министерство энергетики, ядерной физики и теории реакторов США. Справочник Министерства энергетики США по основам, том 1 и 2. Январь 1993 г.

Advanced Reactor Physics:

  1. KO Ott, WA Bezella, Introductory Nuclear Reactor Statics, American Nuclear Society, Revised edition (1989), 1989, ISBN: 0-894-48033-2.
  2. К. О. Отт, Р. Дж. Нойхольд, Введение в динамику ядерных реакторов, Американское ядерное общество, 1985, ISBN: 0-894-48029-4.
  3. Д.Л. Хетрик, Динамика ядерных реакторов, Американское ядерное общество, 1993, ISBN: 0-894-48453-2.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *