ТЕПЛОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ. ИСТОРИЯ. УСТРОЙСТВО. ЗНАЧЕНИЕ. Примеры теплового двигателя


ТЕПЛОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ. ИСТОРИЯ. УСТРОЙСТВО. ЗНАЧЕНИЕ

Теплово́й дви́гатель — это машина, превращающая тепло в механическую энергию. Действие теплового двигателя подчиняется законам термодинамики и основывается на зависимости теплового расширения вещества от температуры. Необходимые условия для работы: разность давлений по обе стороны поршня двигателя или лопастей турбины, наличие топлива.

Изобретатели тепловых двигателей
Паровые двигатели: Паровая турбина: Двигатели внутреннего сгорания:
1698 – англичанин Т. Севери 1707 – француз Д. Папен 1763 – русский И.И. Ползунов 1774 – англичанин Дж. Уатт 1889 – швед К. Лавааль 1860 – француз Лениар 1876 – немец Н. Отто
 
 

Самый известныйдвигатель внешнего сгорания– этопаровая машина, изобретение которой ознаменовало началонаучно-технической революции (НТР).

Парова́я маши́на — это тепловой двигатель внешнего сгорания, преобразующий энергию пара в механическую работу возвратно-поступательного движения поршня, а затем во вращательное движение вала. В более широком смысле — любой двигатель внешнего сгорания, который преобразовывает энергию пара в механическую работу.

Принцип действия

Для привода паровой машины необходим паровой котёл. Расширяющийся пар давит на поршень или на лопатки паровой турбины, движение которых передаётся другим механическим частям. Одно из преимуществ двигателей внешнего сгорания в том, что из-за отделения котла от паровой машины можно использовать практически любой вид топлива — от кизяка до урана.

Значение

Паровые машины использовались как приводной двигатель в насосных станциях, локомотивах, на паровых судах, тягачах, паровых автомобилях и других транспортных средствах. Паровые машины способствовали широкому распространению коммерческого использования машин на предприятиях и явились энергетической основой промышленной революции XIX века.

Поздние паровые машины были вытеснены двигателями внутреннего сгорания, паровыми турбинамии электромоторами, КПД которых выше.

Паровые турбины, формально являющиеся разновидностью паровых машин, до сих пор широко используются в качестве приводов генераторов электроэнергии. Примерно 86 % электроэнергии, производимой в мире, вырабатывается с использованием паровых турбин.

1 — Поршень2 — Шток поршня3 — Ползун4 — Шатун5 — Коленчатый вал6 — Эксцентрик для привода клапана7 — Маховик8 — Золотник9 — Центробежный регулятор

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 (100%). У первых паровых машин КПД был особенно низкий (20% и меньше), в сравнении с более современными двигателями, например, двигателями внутреннего сгорания. Однако с развитием технологии сегодня можно встретить паровые турбины с КПД более 50%.

Дви́гатель вну́треннего сгора́ния

— тепловой двигатель, который преобразовывает теплоту сгорания топлива в механическую работу.

По сравнению с паровой машиной двигатель внутреннего сгорания:

· принципиально проще (нет парокотёльного агрегата)

· компактнее

· легче

· экономичнее

· требует газообразное и жидкое топливо лучшего качества

Изобретение двигателей внутреннего сгорания позволило человечеству встать на ступеньку выше: благодаря этой технологии сегодня мы имеем разветвленную систему транспорта (автомобиле-, судо-, авиастроение), подарившего небывалый комфорт и скорость передвижения на любые расстояния. Также эта технология используется в электрогенераторах, строительных приборах и устройствах специального назначения. Главный минус двигателей внутреннего сгорания – выделение в атмосферу огромного количества углекислого газа, получаемого при сгорании топлива, и выделение тепла (КПД около 30%, а значит, большая часть внутренней энергии уходит не на приведение в движение системы поршней, а на нагрев окружающей среды).

Похожие статьи:

poznayka.org

Билет Энергия топлива. Принцип действия тепловой машины. Примеры тепловых двигателей. Влияние тепловых двигателей на окружающую среду. Коэффициент полезного действия

Билет 4. Энергия топлива. Принцип действия тепловой машины. Примеры тепловых двигателей. Влияние тепловых двигателей на окружающую среду. Коэффициент полезного действия.В природе существует много горючих веществ, которые при сгорании выделяют тепло. Однако, топливом можно считать лишь те горючие вещества, у которые обладают большой удельной теплотой сгорания, низкой температурой воспламенения. отсутствием вредных продуктов сгорания, широко распространены в природе, просты в добыче и транспортировке.Чем больше выделяется тепла при сгорании топлива, тем лучше.

Разные виды топлива одинаковой массы при полном сгорании выделяют разное количество теплоты. Сравнить количества теплоты , выделившиеся при сгорании разных видов топлива можно, используя физическую величину - удельную теплоту сгорания. Удельная тплота сгорания показывает, какое количество теплоты выделится при полном сгорании 1 кг данного топлива. Единица измерения удельной теплоты сгорания в системе СИ: [ q ] = 1 Дж/кг. Расчетная формула для количества теплоты, выделившейся при полном сгорании топлива:

где Q - количество выделившейся теплоты ( Дж ),

q - удельная теплота сгорания ( Дж/кг ),

m - масса сгоревшего топлива ( кг ).^

Использовать внутреннюю энергию — значит совершить за счет нее полезную работу, например, поднять груз, перевезти вагоны и т. п. А это, в свою очередь, означает, что внутреннюю энергию необ­ходимо превратить в механическую. Как это сделать?

В пробирку нальем немного воды, затем плотно закроем ее пробкой и нагреем воду до кипения. Под давлением пара пробка выскочит и подни­мется вверх. Здесь энергия топлива перешла во внутреннюю энергию па­ра, а пар, расширяясь, совершил работу — поднял пробку. Внутренняя энергия пара превратилась в кинетическую энергию пробки.

Заменим пробирку прочным металлическим цилиндром, а проб­ку — плотно пригнанным поршнем, который может двигаться вдоль цилиндра. Мы получим простейший тепловой двигатель, в кото­ром внутренняя энергия топлива превращается в механическую энергию поршня. Такой двигатель был изобретен в конце XVII в.Джеймсом Уаттом и усовершенствован в дальнейшем.

Тепловыми двигателями называют машины, в которых внутренняя энергия топлива превращается в механиче­скую энергию.

Существует несколько видов тепловых двигателей: паровая ма­шина, двигатель внутреннего сгорания, паровая и газовая турбины, реактивный двигатель. Во всех этих двигателях энер­гия топлива сначала переходит в энергию газа (или пара). Газ, расши­ряясь, совершает работу и при этом охлаждается. Часть его внутрен­ней энергии превращается в механическую энергию.

Из всех существующих тепловых двигателей мы рассмотрим дви­гатель внутреннего сгорания и паровую турбину.

^

Двигатель внутреннего сгорания — очень распространенный вид теплового двигателя. Топливо в нем сгорает прямо в цилиндре, вну­три самого двигателя. Отсюда и происходит название этого двигателя.

Двигатели внутреннего сгорания работают на жидком топливе (бензин, керосин, нефть) или на горючем газе.

Такой тип теплового двигателя обычно устанавливают на боль­шинстве автомобилей.

На рисунке 24 показан простейший двигатель внутреннего сгорания в разрезе.

Двигатель состоит из цилиндра, в ко­тором перемещается поршень 3,соединен­ный при помощи шатуна 4 с коленчатым валом 5.

В верхней части цилиндра имеется два клапана 1 и 2, которые при работе двига­теля автоматически открываются и за­крываются в нужные моменты. Через кла­пан 1 в цилиндр поступает горючая смесь, которая воспламеняется с помощью свечи 6, а через клапан 2выпускаются отрабо­тавшие газы.

В цилиндре такого двигателя периоди­чески происходит сгорание горючей смеси, состоящей из паров бензина и воздуха. Тем­пература газообразных продуктов сгорания достигает 1600 — 1800 °С.

Давление на поршень при этом резко возрастает. Расширяясь, газы толкают поршень, а вместе с ним и коленчатый вал, совершая при этом механическую работу. При этом они охлаж­даются, так как часть их внутренней энергии превращается в меха­ническую энергию.

Рассмотрим более подробно схему работы такого двигателя. Крайние положения поршня в цилиндре называют мертвыми точками. Расстояние, проходимое поршнем от одной мертвой точки до другой, называют ходом поршня.

Один рабочий цикл в двигателе происходит за четыре хода поршня, или, как говорят, за четыре такта. Поэтому такие двига­тели называют четырехтактными.

Один ход поршня, или один такт двигателя, совершается за пол-оборота коленчатого вала.

При повороте вала двигателя в начале первого такта поршень дви­жется вниз (рис. 25, а). Объем над поршнем увеличивается. Вслед­ствие этого в цилиндре создается разрежение. В это время открывает­ся клапан 1 и в цилиндр входит горючая смесь. К концу первого так­та цилиндр заполняется горючей смесью, а клапан 1закрывается.

При дальнейшем повороте вала поршень движется вверх (второй такт) и сжимает горючую смесь (рис. 25, б). В конце второго такта, ког­да поршень дойдет до крайнего верхнего положения, сжатая горючая смесь воспламеняется (от электрической искры) и быстро сгорает.

Образующиеся при сгорании газы давят на поршень и толкают его вниз (рис. 25, в). Под действием расширяющихся нагретых газов (третий такт) двигатель совершает работу, поэтому этот такт называ­ют рабочим ходом. Движение поршня передается шатуну, а через него коленчатому валу с маховиком. Получив сильный толчок, махо­вик продолжает вращаться по инерции и перемещает скрепленный с ним поршень при последующих тактах. Второй и третий такты про­исходят при закрытых клапанах.

В конце третьего такта открывается клапан 2, и через него продукты сгорания выходят из цилиндра в атмосферу. Выпуск продуктов сгора­ния продолжается и в течение четвертого такта, когда поршень движет­ся вверх (рис. 25, г). В конце четвертого такта клапан 2 закрывается.

Итак, цикл двигателя состоит из следующих четырех про­цессов (тактов): впуска, сжатия, рабочего хода, выпуска.

В автомобилях используют чаще всего четырехцилиндровые дви­гатели внутреннего сгорания. Работа цилиндров согласуется так, что в каждом из них поочередно происходит рабочий ход и коленчатый вал все время получает энергию от одного из поршней. Имеются и восьмицилиндровые двигатели. Многоцилиндровые двигатели в луч­шей степени обеспечивают равномерность вращения вала и имеют большую мощность.

Применение двигателей внутреннего сгорания чрезвычайно раз­нообразно. Они приводят в движение самолеты, теплоходы, автомо­били, тракторы, тепловозы. Мощные двигатели внутреннего сгора­ния устанавливают на речных и морских судах.

^

В современной технике широко применяют другой тип теплового двигателя. В нем пар или нагретый до высокой температуры газ вра­щает вал двигателя без помощи поршня, шатуна и коленчатого вала. Такие двигатели называют турбинами.

Схема устройства простейшей паровой турбины приведена на рисунке 26. На вал 5насажен диск 4, по ободу которого закреплены лопатки 2. Около лопаток расположены трубы — сопла 1, в которые поступает пар 3 из котла. Струи пара, вырывающиеся из сопел, ока­зывают значительное давление на лопатки и приводят диск турбины в быстрое вращательное движение.

В современных турбинах применяют не один, а несколько дисков, насаженных на об­щий вал. Пар последовательно проходит через лопатки всех дисков, отдавая каждому из них часть своей энергии.

На электростанциях с турбиной соединен ге­нератор электрического тока. Частота вращения вала турбин достигает 3000 оборотов в минуту, что является очень удобным для приведения в движе­ние генераторов электрического тока.

В нашей стране строят паровые турбины мощ­ностью от нескольких киловатт до 1 200 000 кВт. Применяют турбины на тепловых электростанциях и на кораблях. Постепенно находят все более широкое применение газовые турби­ны, в которых вместо пара используются продукты сгорания газа.

^

Любой тепловой двигатель превращает в механическую энергию только незначительную часть энергии, которая выделяется топли­вом. Большая часть энергии топлива не используется полезно, а теряется в окружающем пространстве.

Очень важно знать, какую часть энергии, выделяемой топливом, тепловой двигатель превращает в полезную работу. Чем больше эта часть энергии, тем двигатель экономичнее.

Для характеристики экономичности различных двигателей введено понятие коэффициента полезного действия двигателя — КПД.

Отношение совершенной полезной работы двигателя, к энергии, полученной от нагревателя, называют коэффици­ентом полезного действия теплового двигателя.

КПД теплового двигателя определяют по формуле ,

где Ап — полезная работа, Qз — затраченное количество теплоты. КПД выражается в процентах.

Например, двигатель из всей энергии, выделившейся при сгора­нии топлива, расходует на совершение полезной работы только одну четвертую часть. Тогда коэффициент полезного действия двигателя равен ¼ или 25% .

КПД двигателя обычно выражают в процентах. Он всегда меньше единицы, т. е. меньше 100% . Например, КПД двигателей внутренне­го сгорания 20 — 40% , паровых турбин — выше 30% .

auto-ally.ru

Тепловой двигатель • ru.knowledgr.com

В термодинамике тепловой двигатель - система, которая преобразовывает высокую температуру или тепловую энергию к механической энергии, которая может тогда использоваться, чтобы сделать механическую работу. Это делает это, принося рабочее вещество от более высокой государственной температуры до более низкой государственной температуры. Высокая температура «источник» производит тепловую энергию, которая приносит рабочее вещество к состоянию высокой температуры. Рабочее вещество производит работу в «рабочем органе» двигателя, передавая высокую температуру более холодному «сливу», пока это не достигает низкого температурного государства. Во время этого процесса часть тепловой энергии преобразована в работу, эксплуатируя свойства рабочего вещества. Рабочее вещество может быть любой системой с теплоемкостью отличной от нуля, но это обычно - газ или жидкость.

В целом двигатель преобразовывает энергию в механическую работу. Тепловые двигатели отличаются от других типов двигателей фактом, что их эффективность существенно ограничена теоремой Карно. Хотя это ограничение эффективности может быть недостатком, преимущество тепловых двигателей состоит в том, что большинство форм энергии может быть легко преобразовано, чтобы нагреться процессами как экзотермические реакции (такие как сгорание), поглощение легких или энергичных частиц, трение, разложение и сопротивление. Так как источник тепла, который поставляет тепловую энергию двигателю, может таким образом быть приведен в действие фактически любым видом энергии, тепловые двигатели очень универсальны и имеют широкий диапазон применимости.

Тепловые двигатели часто путаются с циклами, которым они пытаются подражать. Как правило, описывая физическое устройство термин 'двигатель' использован. Описывая модель термин 'цикл' использован.

Обзор

В термодинамике тепловые двигатели часто моделируются, используя стандартную техническую модель, такую как цикл Отто. Теоретическая модель может быть усовершенствована и увеличена с фактическими данными от операционного двигателя, используя инструменты, такие как диаграмма индикатора. Так как очень немного фактической реализации тепловых двигателей точно соответствуют своим основным термодинамическим циклам, можно было сказать, что термодинамический цикл - идеальный случай механического двигателя. В любом случае полностью понимание двигателя и его эффективности требует получения хорошего понимания (возможно упрощенный или идеализированный) теоретическая модель, практические нюансы фактического механического двигателя и несоответствия между двумя.

В общих чертах, чем больше различие в температуре между горячим источником и холодным сливом, тем больше потенциальная тепловая эффективность цикла. На Земле холодная сторона любого теплового двигателя ограничена тем, чтобы быть близко к температуре окружающей среды окружающей среды, или не намного ниже, чем 300 Келвина, так большинство усилий повысить термодинамическую эффективность различного теплового внимания двигателей на увеличение температуры источника, в пределах существенных пределов. Максимальная теоретическая эффективность теплового двигателя (которого никогда не достигает никакой двигатель) равна перепаду температур между горячими и холодными концами, разделенными на температуру в горячем конце, все выраженные в абсолютной температуре или kelvins.

Эффективность различных тепловых двигателей предложила или использовала, сегодня имеет большой спектр:

  • 3 процента (97-процентное отбросное тепло, используя низкокачественную высокую температуру) для океанского предложения по власти OTEC.
  • 25 процентов для большинства автомобильных бензиновых двигателей
  • 49 процентов для сверхкритической угольной электростанции, таких как Электростанция Avedøre
  • 60 процентов для охлажденной паром газовой турбины с комбинированным циклом.

Все эти процессы получают свою эффективность (или недостают этого) от температурного снижения через них. Значительная энергия может использоваться для вспомогательного оборудования, такого как насосы, который эффективно уменьшает эффективность.

Власть

Тепловые двигатели могут быть характеризованы их определенной властью, которая, как правило, дается в киловаттах за литр смещения двигателя (в США также лошадиная сила за кубический дюйм). Результат предлагает приближение пиковой выходной мощности двигателя. Это не должно быть перепутано с топливной экономичностью, так как высокая эффективность часто требует скудного отношения топливного воздуха, и таким образом более низкой плотности власти. Современный высокоэффективный автомобильный двигатель делает сверх 75 кВт/л (1,65 л. с./в).

Повседневные примеры

Примеры повседневных тепловых двигателей включают паровой двигатель (например, в поездах), дизельный двигатель и бензин (бензин) двигатель в автомобиле. Общая игрушка, которая является также тепловым двигателем, является пьющей птицей. Также стерлингский двигатель - тепловой двигатель. Все эти знакомые тепловые двигатели приведены в действие расширением горячих газов. Общая среда - теплоотвод, который обеспечивает относительно прохладные газы, которые, когда нагрето, расширяются быстро, чтобы стимулировать механическое движение двигателя.

Примеры тепловых двигателей

Важно отметить, что, хотя у некоторых циклов есть типичное местоположение сгорания (внутренний или внешний), они часто могут осуществляться с другим. Например, Джон Эрикссон разработал внешний горячий двигатель, бегущий на велосипеде очень как более ранний Дизельный цикл. Кроме того, внешне горячие двигатели могут часто осуществляться в открытом или замкнутых циклах.

Тепловой двигатель земли

Атмосфера и гидросфера земли — тепловой двигатель Земли — соединен процессы, которые постоянно выравнивают солнечную согревающую неустойчивость посредством испарения поверхностной воды, конвекции, ливня, ветров и океанского обращения, распределяя высокую температуру во всем мире.

Система Хэдли обеспечивает пример теплового двигателя. Обращение Хэдли отождествлено с повышением теплого и сырого воздуха в экваториальном регионе со спуском более холодного воздуха в субтропиках, соответствующих тепло стимулируемому прямому обращению с последовательным чистым производством кинетической энергии.

Циклы фазового перехода

В этих циклах и двигателях, рабочие жидкости - газы и жидкости. Двигатель преобразовывает рабочую жидкость от газа до жидкости, от жидкости до газа или обоих, производя работу от жидкого расширения или сжатия.

Циклы только для газа

В этих циклах и двигателях рабочая жидкость всегда - газ (т.е., нет никакого фазового перехода):

  • Цикл мельника

Жидкость только цикл

В этих циклах и двигателях рабочая жидкость всегда походят на жидкость:

Электронные циклы

  • Джонсон термоэлектрический энергетический конвертер
  • Термоэлектронная эмиссия
  • Thermotunnel, охлаждающийся

Магнитные циклы

Циклы используются для охлаждения

Внутренний холодильник - пример теплового насоса: тепловой двигатель наоборот. Работа используется, чтобы создать тепловой дифференциал. Много циклов могут бежать наоборот, чтобы переместить высокую температуру от холодной стороны до горячей стороны, делая холодный кулер стороны и горячую сторону более горячими. Версии двигателя внутреннего сгорания этих циклов, по их характеру, не обратимому.

Циклы охлаждения включают:

  • Охлаждение сжатия пара
  • Стерлинг cryocoolers
  • Холодильник газового поглощения
  • Воздушная машина цикла
  • Охлаждение Vuilleumier
  • Магнитное охлаждение

Испаряющие тепловые двигатели

Двигатель испарения Бартона - тепловой двигатель, основанный на власти производства цикла, и охладил сырой воздух от испарения воды в горячий сухой воздух.

Mesoscopic нагревают двигатели

Тепловые двигатели Mesoscopic - наноразмерные устройства, которые могут служить цели обработки тепловых потоков и выполнить полезную работу над мелкими масштабами. Возможное применение включает, например, электрические устройства охлаждения.

В таких тепловых двигателях mesoscopic работа за цикл операции колеблется из-за тепловых помех.

Есть точное равенство, которое связывает среднее число образцов работы, выполненной любым тепловым двигателем и теплопередачей от более горячей тепловой ванны. Это отношение преобразовывает неравенство Карно в точное равенство.

Эффективность

Эффективность теплового двигателя имеет отношение, сколько полезной работы произведено для данного энергетического входа количества тепла.

Из законов термодинамики:

::

:where

:: работа, извлеченная из двигателя. (Это отрицательно, так как работа сделана двигателем.)

:: тепловая энергия, взятая от системы высокой температуры. (Это отрицательно, так как высокая температура извлечена из источника, следовательно положительное.)

:: тепловая энергия, поставленная системе низкой температуры. (Это положительно, так как высокая температура добавлена к сливу.)

Другими словами, тепловой двигатель поглощает тепловую энергию от источника тепла высокой температуры, преобразовывая часть его к полезной работе и поставляя остальным теплоотводу низкой температуры.

В целом эффективность данного процесса теплопередачи (ли это быть холодильником, тепловым насосом или двигателем) определена неофициально отношением, «что Вы вынимаете» к, «что Вы вставляете».

В случае двигателя каждый желает извлечь работу и вставляет теплопередачу.

::

Теоретическая максимальная производительность любого теплового двигателя зависит только от температур, между которыми это работает. Эта эффективность обычно получается, используя идеальный воображаемый тепловой двигатель, такой как тепловой двигатель Карно, хотя другие двигатели, используя различные циклы могут также достигнуть максимальной производительности. Математически, это вызвано тем, что в обратимых процессах, изменение в энтропии холодного водохранилища - отрицание того из горячего водохранилища (т.е.,), держа полное изменение ноля энтропии. Таким образом:

::

где абсолютная температура горячего источника и тот из холодного слива, обычно измеряемого в kelvin. Обратите внимание на то, что это положительно, в то время как отрицательно; в любом обратимом извлекающем работу процессе энтропия в целом не увеличена, а скорее перемещена от горячего (высокая энтропия) система к холоду (низкая энтропия одна), уменьшив энтропию источника тепла и увеличив тот из теплоотвода.

Рассуждение позади этого являющегося максимальной эффективностью идет следующим образом. Сначала предполагается что, если более эффективный тепловой двигатель, чем двигатель Карно возможен, то это можно было вести наоборот как тепловой насос. Математический анализ может использоваться, чтобы показать, что эта принятая комбинация привела бы к чистому уменьшению в энтропии. С тех пор, согласно второму закону термодинамики, это статистически невероятное на грани исключения, эффективность Карно - теоретическая верхняя граница на надежной эффективности любого процесса.

Опытным путем никакой тепловой двигатель, как никогда не показывали, бежал в большей эффективности, чем тепловой двигатель цикла Карно.

Рисунок 2 и рисунок 3 показывают изменения на эффективности цикла Карно. Рисунок 2 указывает, как эффективность изменяется с увеличением тепловой дополнительной температуры для постоянной входной температуры компрессора. Рисунок 3 указывает, как эффективность изменяется с увеличением тепловой температуры отклонения для постоянной турбинной входной температуры.

Endoreversible нагревают двигатели

Большая часть эффективности Карно как критерий тепловой работы двигателя - факт, что по его характеру, любой максимально эффективный цикл Карно должен работать в бесконечно малом температурном градиенте. Это вызвано тем, что любая передача высокой температуры между двумя телами при отличающихся температурах необратима, и поэтому выражение эффективности Карно только применяется в бесконечно малом пределе. Основная проблема с этим состоит в том, что объект большинства тепловых двигателей состоит в том, чтобы произвести своего рода власть, и бесконечно малая власть обычно не, что разыскивается.

Различная мера идеальной тепловой эффективности двигателя дана рассмотрением endoreversible термодинамики, где цикл идентичен циклу Карно кроме этого, два процесса теплопередачи не обратимы (Callen 1985):

:: (Примечание: единицы K или °R)

Эта модель делает лучшую работу по предсказанию, как хорошо реальные тепловые двигатели могут сделать (Callen 1985, см. также endoreversible термодинамику):

Как показано endoreversible эффективность намного более близко моделирует наблюдаемые данные.

История

Тепловые двигатели были известны начиная со старины, но были только превращены в полезные устройства во время промышленной революции в 18-м веке. Они продолжают развиваться сегодня.

Тепловые улучшения двигателя

Инженеры изучили различные тепловые циклы двигателя экстенсивно в усилии улучшить сумму применимой работы, которую они могли извлечь из данного источника энергии. Предел цикла Карно не может быть достигнут ни с каким основанным на газе циклом, но инженеры решили по крайней мере два способа возможно обойти тот предел и один способ получить лучшую эффективность, не сгибая правил.

  1. Увеличьте перепад температур в тепловом двигателе. Самый простой способ сделать это должно увеличить горячую температуру стороны, которая является подходом, используемым в современных газовых турбинах с комбинированным циклом. К сожалению, физические пределы (такие как точка плавления материалов раньше строил двигатель) и экологические проблемы относительно НИКАКОГО производства ограничивают максимальную температуру на осуществимых тепловых двигателях. Современные газовые турбины бегут при температурах максимально высоко в пределах диапазона температур, необходимых, чтобы поддержать приемлемый НИКАКАЯ продукция. Другой способ увеличить эффективность состоит в том, чтобы понизить температуру продукции. Один новый метод выполнения так должен использовать смешанные химические рабочие жидкости, и затем эксплуатировать изменяющееся поведение смесей. Один из самых известных - так называемый цикл Kalina, который использует 70/30 соединение аммиака и воды как ее рабочая жидкость. Эта смесь позволяет циклу производить полезную энергию при значительно более низких температурах, чем большинство других процессов.
  2. Эксплуатируйте физические свойства рабочей жидкости. Наиболее распространенным такая эксплуатация является использование воды выше так называемой критической точки или так называемого сверхкритического пара. Поведение жидкостей выше их критической точки изменяется радикально, и с материалами, такими как вода и углекислый газ, возможно эксплуатировать те изменения в поведении, чтобы извлечь большую термодинамическую эффективность из теплового двигателя, даже если это использует довольно обычный цикл Brayton или Rankine. Более новый и очень перспективный материал для таких заявлений - CO. ТАК и ксенон были также рассмотрены для таких заявлений, хотя ТАК немного яда для большинства.
  3. Эксплуатируйте химические свойства рабочей жидкости. Довольно новое и новое деяние должно использовать экзотические рабочие жидкости с выгодными химическими свойствами. Один таков диоксид азота (НЕ), токсичный компонент смога, у которого есть естественный регулятор освещенности как di-азот tetraoxide (НЕТ). При низкой температуре, НЕ сжат и затем нагрет. Увеличивающаяся температура заставляет каждого НЕ не ломаться обособленно в две НИКАКИХ молекулы. Это понижает молекулярную массу рабочей жидкости, которая решительно увеличивает эффективность цикла. Однажды НЕ расширился через турбину, она охлаждена теплоотводом, который заставляет ее повторно объединиться в НЕТ. Это тогда возвращено компрессором для другого цикла. Такие разновидности как алюминиевый бромид (AlBr), NOCl и GaI были все исследованы для такого использования. До настоящего времени их недостатки не гарантировали их использование, несмотря на прибыль эффективности, которая может быть понята.

Тепловые процессы двигателя

Каждый процесс - одно из следующего:

  • изотермический (при постоянной температуре, сохраняемой с высокой температурой, добавил или удалил из источника тепла или слива)
,
  • изобарический (в постоянном давлении)
  • isometric/isochoric (в постоянном объеме), также называемый объемным ISO
  • адиабатный (никакая высокая температура не добавлена или удалена из системы во время адиабатного процесса)
,
  • isentropic (обратимый адиабатный процесс, никакая высокая температура не добавлена или удалена во время изоэнтропийного процесса)
,

См. также

  • Тепловой насос
  • График времени тепловой технологии двигателя

ru.knowledgr.com

Тепловой двигатель — википедия орг

Теплово́й дви́гатель — тепловая машина, превращающая тепло в механическую энергию, использует зависимость теплового расширения 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 давлений 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.

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).

Работа, совершаемая двигателем, равна:

A=|QH|−|QX|{\displaystyle A=\left|Q_{H}\right|-\left|Q_{X}\right|} , где:
  • QH{\displaystyle Q_{H}}  — количество теплоты, полученное от нагревателя,
  • QX{\displaystyle Q_{X}}  — количество теплоты, отданное охладителю.

Коэффициент полезного действия (КПД) теплового двигателя рассчитывается как отношение работы, совершаемой двигателем, к количеству теплоты, полученному от нагревателя: η=|QH|−|QX||QH|=1−|QX||QH|{\displaystyle \eta ={\frac {\left|Q_{H}\right|-\left|Q_{X}\right|}{\left|Q_{H}\right|}}=1-{\frac {\left|Q_{X}\right|}{\left|Q_{H}\right|}}} 

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(TH{\displaystyle T_{H}} ) и холодильника(TX{\displaystyle T_{X}} ):

ηK=TH−TXTH=1−TXTH{\displaystyle \eta _{K}={T_{H}-T_{X} \over T_{H}}=1-{T_{X} \over T_{H}}} 

Двигатель Стирлинга

Поршневой двигатель внешнего сгорания

Поршневой двигатель внутреннего сгорания

Роторный (турбинный) двигатель внешнего сгорания

Примером такого устройства является тепловая электрическая станция в базовом режиме. Таким образом колёса локомотива (электровоза) также, как и в 19 веке, вращает энергия пара. Но тут есть два существенных отличия.

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

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

Роторный (турбинный) двигатель внутреннего сгорания

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

Реактивные и ракетные двигатели

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

Используются для приведения в движение самолётов, ракет и космических аппаратов.

Твёрдотельные 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.[1]

Примеры:

www-wikipediya.ru

Тепловые двигатели

  • Прежде всего, что требуется от машины?
  • Какую работу может выполнять тепловая машина? Что значит понятие “работа в термодинамике”?
  • Что будет являться рабочим телом в тепловой машине?

При каком условии газ будет совершать работу?

 

Что необходимо для расширения газа?

Значит, нам понадобится нагреватель.

За счет подведения тепла внутренняя энергия увеличивается. А что происходит с ней при совершении работы газом?

Вся ли внутренняя энергия идет на совершение работы?

Куда же еще расходуется внутренняя энергия?

Значит, еще в работе участвует одно тело – холодильник.

По материалу §84 и рисунку 170:

    1)выделите и назовите основные части любого теплового двигателя, укажите, каково их назначение;

    2)поясните принцип действия теплового двигателя;

    3)приведите примеры применения тепловых двигателей.

  1. КПД теплового двигателя.
  2. Максимальное значение КПД теплового двигателя.
  3. Решение задачи типа Д-688,689.

Выполнять работу

А=р∆V

Газ

 

При своем расширении

 

Подвести к нему некоторое количество тепла

 

Внутренняя энергия уменьшается

 

Часть

В окружающее пространство

 

 

Работа с учебником

metod-f.narod.ru

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.

dikc.academic.ru

Тепловые двигатели - Наука и образование

Развитие авиации сводится в основном к увеличению скорости, высоты, грузоподъёмности, дальности, надёжности полёта самолётов, что в значительной степени зависит от возможностей совершенствования двигателя.

Двигатели внутреннего сгорания с винтами-пропеллерами уже не обеспечивают увеличения скорости и высоты полёта самолётов. Причина этого заключается в следующем.

В самолёте с воздушным винтом последний, вращаясь, отбрасывает воздух, заставляя его двигаться ускоренно. По третьему закону Ньютона, отбрасываемая масса воздуха действует на винт, толкает его вперёд, создавая этим тягу, движущую весь самолёт. Тяга получается, таким образом, как результат ответного воздействия (реакции) воздуха, отбрасываемого винтом. Винт служит посредником, который за счёт энергии топлива совершает работу по передвижению самолёта.

Подробнее...

При устройстве тепловых двигателей важно прежде всего добиться, чтобы как можно большее количество энергии сгораемого топлива превратилось в механическую энергию, иначе говоря, при минимальной затрате топлива получилась максимальная работа. Тогда двигатель будет экономичным. Зная количество теплоты Q1, переданное рабочему телу от нагревателя, и количество теплоты Q1 – Q2, превращенное в механическую энергию, можно оценить степень экономичности этого процесса превращения.

Отношение количества теплоты, превращенной машиной о механическую энергию, к количеству теплоты, полученной от нагревателя, называется коэффициентом полезного действия тепловой машины (к. п. д.).

К. п. д. машины принято обозначать буквой η (греч. «эта»):

η = (Q1 – Q2) : Q1

Изучая условия получения работе за счёт внутренней энергии пара в паровых машинах, Карнов 1824 г. установил, что коэффициент полезного действия любого реального теплового двигателя не может превышать величины (Т1 – Т2) : T1, где Т1 – абсолютная температура нагреватели, а Т2 – абсолютная температура холодильника. Чем ближе к. п. д. двигателя к этой величине, тем двигатель совершеннее. Этот вывод хорошо оправдывается на практике.

Подробнее...

scibio.ru