Sw-motors.ru

Автомобильный журнал
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Что такое устройство теплового двигателя

Что такое устройство теплового двигателя

Совершенность двигателей, их технико-эксплуатационные параметры зависят от характера протекания рабочего процесса. Ниже рассматриваются процессы, происходящие во время отдельных Тактов поршневых двигателей.

Процесс впуска. Степень совершенности впуска определяется количеством свежего заряда, заполняющим цилиндр двигателя. Наилучшее заполнение цилиндра может происходить при следующих условиях: скорость движения поршня невелика, в цилиндре нет остаточных газов, сопротивления во впускном трубопроводе малы, подогрев поступающего заряда незначителен. Однако в реальных условиях создать такие условия невозможно. Необходимость очистки поступающего в двигатель воздуха требует установки воздушных фильтров, создающих сопротивление во впускном тракте пзауховода. Далее горючая смесь или воздух испытывают гидравлические сопротивления при движении по впускному трубопроводу цилиндрам. Эти сопротивления снижают давление воздуха (по сравнению с внешней средой), что ухудшает заполняемость цилиндра.

Для улучшения процесса заполнения цилиндра воздухом в дизелях применяется наддув. При этом воздух предварительно сжимается в компрессоре и поступает во впускную систему под давлением выше атмосферного.

Рекламные предложения на основе ваших интересов:

Количество заполняющей цилиндр смеси (воздуха) зависит от ее температуры. При работе двигателя на полной нагрузке температура теплопередающих поверхностей достигает 150 °С, и поступающий в цилиндр атмосферный воздух или горючая смесь подогревается на величину ДТ. Опытным путем установлено, что AT для карбюраторных двигателей равно 0—20 °С, для дизелей 20—40 °С. Чем выше температура поступающего заряда, тем ниже его плотность. Для увеличения наполнения цилиндра свежим зарядом в дизелях необходимо уменьшать его подогрев в период впуска. В тоже время в карбюраторных двигателях впускной трубопровод специально подогревают для повышения интенсивности испарения топлива в горючей смеси и эффективного протекания процесса сгорания.

Коэффициент наполнения для различных двигателей имеет следующие значения: дизели без наддува — 0,76—0,88; дизели с над, дувом — 0,85—1,05; карбюраторные двигатели — 0,65—0,75. Таким образом, количество свежего заряда, поступающего в цилиндр, зависит от его температуры и давления у входа во впускную систему двигателя, коэффициента остаточных газов уост, степени подогрева заряда и температуры остаточных газов. При конструировании двигателей стремятся уменьшить отрицательное влияние этих факторов — тщательно обрабатывают внутреннюю поверхность впускного трубопровода, по возможности упрощают его конфигурацию, создают регулируемый обогрев впускного трубопровода.

Процесс сжатия поступившего в цилиндр заряда необходим для создания условий, обеспечивающих его воспламенение и сгорание, т. е. для эффективного преобразования теплоты в полезную работу.

В карбюраторных двигателях при сжатии кроме повышения температуры и давления заряда происходит дополнительное перемешивание заряда, что повышает однородность его состава по всему объему цилиндра. Это улучшает условия воспламенения и сгорания заряда, использование кислорода воздуха. Особенно важно сохранить вихревое движение заряда до конца такта сжатия. С этой целью применяют камеры сгорания различных форм, в которых рабочая смесь вытесняется из промежутка между поршнем и головкой цилиндра в направлении к источнику зажигания. В дизелях также стремятся сохранить вихревое движение сжатого воздуха, что облегчает распределение впрыскиваемого топлива в воздушном заряде и улучшает использование кислорода воздуха при сгорании смеси.

Степень сжатия заряда выбирается исходя из конструктивных особенностей двигателя, условий его эксплуатации. Двигатели, работающие при низких температурах окружающей среды, двигатели с разделенными камерами сгорания и двигатели с малыми размерами цилиндров должны иметь более высокие степени сжатия. Ориентировочные пределы сжатия в двигателях различных типов следующие: карбюраторные и газовые — 6—11; дизели без наддува — 16—22.

Предельная степень сжатия карбюраторных двигателей ограничивается октановым числом бензина. Ограничение степени сжатия в дизелях связано с резким возрастанием нагрузок на кривошипно-шатунный механизм в конце такта сжатия, а также с увеличением затрачиваемой мощности на преодоление трения в двигателе.

Сгорание рабочей смеси представляет собой сложный процесс, состоящий из ряда последовательных этапов, во время которых химическая энергия топлива превращается в тепловую.

В двигателях с искровым зажиганием процесс сгорания смеси условно делится на три периода. 1-й период — от момента пробивания высоковольтным разрядом искрового промежутка и воспламенения смеси до видимого повышения давления газа медленного горения). Продолжительность этой фазы зависит т состава рабочей смеси, степени сжатия, энергии искрового раз-°яда нагрузки и частоты вращения коленчатого вала двигателя и составляет 4—6° поворота коленчатого вала. В период фазы медленного горения сгорает 6—8% объема смеси. Далее наступает 2-й период видимого горения (фаза быстрого горения) с резким нарастанием давления в цилиндре. За этот период сгорает до 90% объема смеси. Продолжительность фазы составляет — 20—30° поворота коленчатого вала и зависит от состава смеси, степени сжатия момента зажигания, формы камеры сгорания, скорости вихревого движения смеси и нагрузки двигателя. Этот период характеризуется скоростью нарастания давления на градус поворота коленчатого вала, среднее значение которой составляет 0,12—0,26 МПа на градус поворота. И наконец, 3-й период — догорание смеси, продолжительность которого невелика.

Качество и продолжительность сгорания рабочей смеси зависят от угла опережения зажигания, состава рабочей смеси, скорости ее вихревого движения, частоты вращения коленчатого вала, нагрузки двигателя, степени сжатия, формы камеры сгорания, места установки свечи.

Для получения наибольшей мощности двигателя необходимо, чтобы рабочая смесь сгорала в минимальном объеме, поэтому электрическая искра должна подаваться до прихода поршня в в.м.т., с тем чтобы основная часть смеси воспламенилась к приходу поршня в в.м.т. Величина наивыгоднейшего угла опережения зажигания определяется опытным путем и зависит от качества смеси, степени сжатия и частоты вращения коленчатого вала.

Наилучшее сгорание рабочей смеси происходит при коэффициенте избытка воздуха а = 0,8-^0,9. При а, большем этих значений, продолжительность горения возрастает за счет увеличения фазы медленного горения; при уменьшении а процесс горения затруднен из-за недостатка кислорода.

При вихревом движении рабочей смеси в цилиндре процесс горения в 8—12 раз выше, чем при отсутствии такого движения.

Увеличение частоты вращения коленчатого вала приводит к сокращению продолжительности процесса сгорания при одновременном увеличении доли времени, приходящегося на фазы медленного сгорания и догорания. Для обеспечения наилучших условий сгорания смеси при увеличении частоты вращения используется центробежный регулятор, с помощью которого автоматически изменяется (увеличивается) время опережения подачи электрической искры.

С увеличением степени сжатия е готовность рабочей смеси к воспламенению ускоряется за счет повышения давления и температуры заряда. При этом продолжительность процесса горения сокращается и показатели работы двигателя улучшаются.

Наиболее эффективна такая форма камеры сгорания, при кото-рои расстояние от свечи зажигания до наиболее удаленной точки камеры будет минимальным.

Процесс сгорания в дизелях. В отличие от карбюраторных двигателей в дизелях распределение впрыснутого топлива по объему камеры сгорания весьма неравномерно, что требует для более полного сгорания обедненного состава смеси. Весь процесс сгорания смеси можно условно разделить на четыре периода: 1-й период — задержка самовоспламенения с момента впрыска топлива до момента его воспламенения. В течение периода топливо испаряется и нагревается до температуры самовоспламенения. Продолжительность этого периода (0,00l-f-0,003 с) зависит от физико-механических свойств топлива, температуры и давления сжатого воздуха, качества распыления и характера движения смеси в цилиндре. 2-й период — быстрое сгорание смеси с интенсивным тепловыделением и резким нарастанием давления. Продолжительность периода зависит от изменения характера подачи топлива в этот период по сравнению с первым, от качества распыления топлива и вихревого движения рабочей смеси. При этом средняя величина нарастания давления, обеспечивающая нормальную работу дизеля, не должна превышать 0,3—0,5 МПа на 1° поворота коленчатого вала. 3-й период — медленное сгорание смеси — характеризуется незначительным повышением давления при интенсивном выделении теплоты. Продолжительность периода зависит от интенсивности перемешивания горящих частиц топлива с воздухом. 4-й период — догорание смеси, продолжительность которого несколько выше, чем в карбюраторных двигателях, ввиду того, что впрыск топлива производится при постоянных значениях объема и давления.

Наибольшая эффективность процесса достигается сокращением его длительности и плавным повышением давления. На продолжительность и качество процесса сгорания в дизеле влияют физико-химические свойства топлива, температура и давление воздуха в момент впрыска топлива, характер и интенсивность вихревого движения воздуха, конструкция камеры сгорания, время опережения впрыска топлива до прихода поршня в в.м.т., нагрузка и частота вращения коленчатого вала дизеля.

Читать еще:  Saab стук в двигателе saab

Выпуск отработавших газов. Он происходит как бы в два этапа: вначале газы вытекают из цилиндра со скоростью 600—700 м/с через предварительно открытые клапан или выпускное отверстие, а затем вытесняются поршнем, движущимся к в.м.т., или избыточным давлением продувки. В конце выпуска после достижения поршнем в.м.т. газы продолжают выходить из цилиндра по инерции, что способствует лучшей очистке цилиндра и увеличении? коэффициента наполнения. Величина давления выпуска зависит от частоты вращения коленчатого вала двигателя, нагрузки, фаз газораспределения и др. Ввиду трудности расчета величина давления выпуска газов принимается средней за весь процесс. Температура отработавших газов зависит от частоты вращения вала двигателя, состава рабочей смеси, скорости распространения фронта пламени, момента зажигания или впрыска и др.

Тепловой двигатель

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

Содержание

  • 1 История
  • 2 Теория
  • 3 Типы тепловых двигателей
    • 3.1 Двигатель Стирлинга
    • 3.2 Поршневой двигатель внутреннего сгорания
    • 3.3 Роторный (турбинный) двигатель внешнего сгорания
    • 3.4 Роторный (турбинный) двигатель внутреннего сгорания
    • 3.5 Реактивные и ракетные двигатели
      • 3.5.1 Турбовинтовой двигатель
      • 3.5.2 Турбореактивный двигатель
      • 3.5.3 Ракетный двигатель
        • 3.5.3.1 Твёрдотопливный ракетный двигатель
        • 3.5.3.2 Гибридный ракетный двигатель
        • 3.5.3.3 ЖРД (жидкостный ракетный двигатель)
    • 3.6 Твердотельные двигатели
    • 3.7 Дистилляционный двигатель
  • 4 Литература

История [ править ]

Первой известной тепловой конструкции была паровая турбина внешнего сгорания, изобретённая во ΙΙ веке н. э. в Римской империи. Это изобретение не получило своего развития предположительно из-за низкого уровня техники того времени. На прогресс это изобретение никакого влияния не оказало и было забыто. Следующей тепловой машиной, изобретённой человеком, была пороховая ракета и пороховое орудие. Дата его изобретения неизвестна, первое известное упоминание относится к 13 веку. Это произошло в Китае. Это было простое устройство, которое с точки зрения инженера и механика не является тепловым двигателем, так как не имеет вала отбора мощности, но с точки зрения физики является тепловой машиной. Поэтому этот прибор имеет ограниченное применение: для связи, в военном деле, как транспорт (в последнем случае есть проблемы, но в принципе это возможно). В 17 веке изобретательская мысль попыталась на базе порохового орудия создать тепловой двигатель.

Теория [ править ]

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 [ править ]

Двигатель Стирлинга [ править ]

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

Поршневой двигатель внутреннего сгорания [ править ]

Двигатель Внутреннего Сгорания или ДВС, тепловой двигатель, в котором часть химической энергии топлива, сгорающего в рабочей полости, преобразуется в механическую энергию. По роду топлива различают жидкостные и газовые; по рабочему циклу непрерывного действия, 2- и 4-тактные; по способу приготовления горючей смеси с внешним (напр., карбюраторные) и внутренним (напр., дизели) смесеобразованием; по виду преобразователя энергии поршневые, турбинные, реактивные и комбинированные. Коэффициент полезного действия 0,4-0,5. 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 либо за четыре хода поршня, за четыре такта, либо за два и двигатели делятся на четырёхтактные и двухтактные. Цикл четырёхтактного двигателя состоит из следующих тактов: 1.впуск, 2.сжатие, 3.рабочий ход, 4.выпуск. В цикле двухтактного двигателя такты рабочего хода и сжатия аналогичны четырёхтактному двигателю, а впуск и выпуск осуществляется одновременно в момент нахождения поршня вблизи от нижней мёртвой точки.

Роторный (турбинный) двигатель внешнего сгорания [ править ]

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

Роторный (турбинный) двигатель внутреннего сгорания [ править ]

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 [ править ]

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

Турбовинтовой двигатель [ править ]

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

Турбореактивный двигатель [ править ]

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

Ракетный двигатель [ править ]

Ракетный двигатель может создавать тягу в безвоздушном пространстве.

Твёрдотопливный ракетный двигатель [ править ]

Твердотопливный ракетный двигатель (РДТТ). В РДТТ всё топливо в виде заряда помещается в камеру сгорания; двигатель обычно работает непрерывно до полного выгорания топлива.

РДТТ были первыми ракетными двигателями, нашедшими практическое применение. Ракеты с РДТТ (пороховые ракеты) известны уже около 1000 лет; они использовались как сигнальные, фейерверочные, боевые. Описания «огненных стрел» — прототипов пороховых ракет — содержатся в китайских иЗЮЗийских [неизвестный термин] рукописях 10 в. Это оружие представляло собой обычные стрелы, к которым прикреплялись бамбуковые трубки, заполненные порохом. В 1-й половине 17 в. в «Уставе» Онисима Михайлова описываются первые русские ракеты — артиллерийские ядра с каналом, в котором помещался пороховой заряд. В 1798

индийцы применяли боевые ракеты против английских колонизаторов, а в 1807 англичане использовали подобные ракеты в войне с Данией (при осаде Копенгагена). Первоначально топливом для РДТТ служил дымный порох. В конце 19 в. был разработан бездымный порох, превосходивший дымный по устойчивости горения и работоспособности. В дальнейшем были получены новые высокоэффективные виды твёрдых топлив, что позволило конструировать боевые ракеты с РДТТ самой различной дальности, вплоть до межконтинентальных баллистических ракет.

Читать еще:  Аварийный запуск двигателя фиат стило
Гибридный ракетный двигатель [ править ]
ЖРД (жидкостный ракетный двигатель) [ править ]

Твердотельные двигатели [ править ]

В двигателях этого типа в качестве рабочего тела используется твёрдое тело, а при работе двигателя изменяется не объём рабочего тела, а его форма. Такой двигатель позволяет использовать рекордно малый перепад температур при более высоком КПД.

Дистилляционный двигатель [ править ]

Существует разработка двигателя с внешним нагревом, в котором ротор в виде пустотелого кольца частично заполнен легкоиспаряемым твёрдым телом. Незаполненная часть ротора и часть рабочего тела нагреваются, образующийся пар перетекает из нагретой части ротора в ненагретую, нарушая тем самым равновесие ротора в поле силы тяжести. В результате ротор приводится во вращение. Особенностью двигателя является согласованность скорости вращения его ротора со скоростью испарения рабочего тела. Двигатель разработан для осуществления зонной дистилляции с многократным повторением в устройстве с вращающимся контейнером (Патент Украины №78272).

Виды тепловых двигателей

Теловой двигатель

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

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

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

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

Применение теплового двигателя

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

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

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

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

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

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

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

Виды тепловых двигателей

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

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

В современной научной литература этот узел называется «регенератором»

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Читать еще:  Что такое двигатель 4wd

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

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

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

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

Тепловой двигатель

КПД теплового двигателя. Можно привести бесконечное количество примеров существования необратимых процессов в природе. Так камень, падая с некоторой высоты, передает свою потенциальную энергию в теплоту песка, в котором он застревает. Обратное, когда тепло Земли сконцентрируется в энергии камня, а затем превратится в кинетическую энергию камня, который взлетит вверх, невозможно. Можно смешать соль и сахар, насыпанные слоями в кружке, обратно, сколько не трясите кружку, их разделить не удастся. Подобного рода процессы не нарушают первого начала термодинамики.

Отсутствие обратимости ряда термодинамических процессов привело к формулировке второго начала термодинамики, которое указывает на направленность термодинамических процессов. Примером таких процессов могут служить необратимые процессы, которые идут с конечной постоянной скоростью.

В 1865 году формулировка второго начала динамики звучала следующим образом: теплота в естественных условиях переходит от горячего тела к холодному, в то время как от холодного тела к горячему теплота сама по себе не переходит.

Трудно представить, чтобы газ, заполняющий баллон, был выпущен в помещении, а затем он самопроизвольно собрался вновь в баллоне.

Формулировка второго начала термодинамики разрабатывалась в экспериментальных исследованиях тепловых двигателей.

Тепловым двигателем[3] называют устройство, которое переводит теплоту в механическую работу.

Физическая идея, лежащая в основе работы теплового двигателя, заключается в том, что часть тепла, переходящего от горячего тела к холодному можно превратить в механическую работу. Условиями работы любого теплового двигателя являются периодичность процесса, наличие рабочего тела, нагревателя и холодильника. Температуры нагревателя Тн и холодильника Тх называются рабочими температурами теплового двигателя. Рабочим телом парового двигателя называется вещество (как правило, пар или горючие вещества), которое нагревается и затем, охлаждаясь, часть своего тепла превращает в работу. Схема теплового двигателя представлена на рис.7.7. Часть тепла от нагревателя передается рабочему телу и превращается в механическую работу, другая часть возвращается холодильнику.

Рис.7.7. Схема работы теплового двигателя.

Принцип действия обратного устройства – холодильника заключается в обращении стадий работы теплового двигателя. На рис.7.8 видно, что, совершая работу можно отнять часть тепла у холодного тела. Это осуществляется, когда используемый в качестве рабочего тела газ – фреон нагревается в холодильнике.

Рис.7.8. Схема работы холодильника.

Затем он поступает в компрессор, который с помощью мотора выбрасывает его в конденсатор, работающий при комнатной температуре. Там часть тепла передается окружающей среде, а затем разряженный газ вновь попадает в холодильник. В обычном холодильнике газ фреон движется по трубкам внутри холодильника, отбирая из него тепло. Затем тепло передается металлическому радиатору, который охлаждается под действием воздуха. Этот процесс происходит периодически. Если температура в холодильнике стала слишком низкой, то он на некоторое время отключается. Мы хорошо знаем, что со стороны задней стенки холодильника всегда теплее, чем в комнате, где он находится.

Эффективность работы любого двигателя определяется его коэффициентом полезного действия (КПД) η – отношением полезной работы теплового двигателя А к затраченной теплоте Q:

, (7.4.1)

. (7.4.2)

Для повышения КПД двигателя необходимо повышать температуру нагревателя, либо понижать температуру холодильника. Температуру нагревателя ограничивает прочность материалов, из которых построен двигатель, а температура холодильника не может быть ниже температуры окружающей среды. Поскольку, как показал экспериментальный опыт, температура холодильника ТХ не может быть равна абсолютному нулю и всегда больше нуля, то КПД любого двигателя всегда меньше единицы η

Двигатель Карно. Цикл Карно.В начале девятнадцатого века французский ученый Сади Карно (1796-1832) детально изучал работу тепловых двигателей. В 1824 году он предложил идеализированный тип двигателя (рис.7.9) на основе обратимых процессов, объяснив принцип действия всех тепловых двигателей. В двигателе Карно происходят обратимые процессы. Обратимый процесс – это процесс, протекающий очень медленно, который можно рассматривать как переход от одного равновесного состояния к другому (обратимые процессы можно вести в обратном направлении). В реальном двигателе всегда существует трение, хотя его величина может быть очень маленькой. Чтобы в них периодический процесс максимально можно было бы приблизить к обратимому процессу, например, уменьшают трение поршней о цилиндры, совершенствуя масла для двигателей.

Рис.7.9. Схема работы идеального двигателя.

Работа двигателя Карно описывается теоремой Карно: ни один необратимый двигатель, работающий между термостатами, не может иметь коэффициент полезного действия (КПД) больше, чем обратимый ().

Другое определение теоремы Карно: все обратимые двигатели, работающие между термостатами с одинаковыми температурами термостатов, имеют одинаковый КПД.

Согласно теореме Карно из всех возможных двигателей максимальным КПД будет обладать двигатель, каждый цикл которого представляет собой замкнутый процесс. Он установил, что КПД определяется лишь температурой нагревателя и холодильника:

(7.4.3)

В двигателе Карно используется цикл Карно, который состоит из двух изотерм и двух адиабат (рис.7.10). На каждом из этих участков процесс является обратимым. По теореме Карно для всех обратимых процессов справедливо выражение, которое следует из выражения (7.4.2):

. (7.4.4)

Рис.7.10. Цикл Карно.

Объясним работу цикла Карно на примере парового двигателя. Работу двигателя делят на четыре такта. На верхней изотерме при температуре ТН происходит расширение, например, пара на участке 1-2 и движение поршня парового двигателя. Этот цикл является рабочим, приводящим к движению паровой машины.

Далее, во втором такте работы двигателя, расширяющийся пар в котел с поршнем не поступает (в точке 2 перекрывается связь с окружающей средой). Поэтому происходит расширение пара, как бы по инерции без поступления тепла, по адиабате 2 -3. При этом температура пара снижается до температуры холодильника.

В третьем такте работы двигателя, на участке 3 – 4 пар выпускается наружу в изотермическом процессе (ΔТ=0) при ТХ. При этом уменьшается объем пара под поршнем.

Далее, в четвертом такте, контакт с внешней средой прекращается, и процесс работы двигателя завершается адиабатически (ΔQ=0) на участке 4–1. При этом температура газа вновь возрастает. Аналогичным образом работает и двигатель внутреннего сгорания, где вместо пара используется бензино – воздушная смесь, которая при зажигании о свечу создает высокую температуру, как и пар.

Любой обратимый процесс можно представить в виде последовательности циклов Карно. Выражение (7.4.4) в этом случае представимо в виде:

. (7.4.5)

Для бесконечного числа циклов Карно соотношение (7.4.5) применимо к любому обратимому процессу, и приобретает вид:

(7.4.6)

|следующая лекция ==>
Первое начало термодинамики|Второе начало термодинамики

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector