1.5.4 Работа тепловых двигателей. Тепловой двигатель работа


Тепловой двигатель — Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

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.

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).

Видео по теме

Теория

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}}}

Типы тепловых двигателей

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:

Примечания

Ссылки

www.wikipedia.green

Тепловые двигатели. Принцип работы тепловых двигателей. Двигатель внутреннего сгорания. | Поурочные планы по физике 8 класс

Тепловые двигатели. Принцип работы тепловых двигателей. Двигатель внутреннего сгорания.

27.02.2014 6222 0

Цели: рассмотреть применение закона сохранения и превращения энергии  в тепловых двигателях; объяснить учащимся устройство и принцип работы паровой турбины, знакомить учащихся с физическими принципами действия тепловых двигателей на примере двигателя внутреннего сгорания. Побуждать учащихся к преодолению трудностей в процессе умственной деятельности, воспитать интерес к физике.

Демонстрации: работа газа и пара при расширении; устройство и дей­ствие паровой турбины. модель двигателя внутреннего сгорания; выполнение Работы при сгорании воздушно-бензиновой смеси

Ход урока

I. Организационный момент

II. Изучение нового материала

План изложения нового материала:

1. Виды тепловых двигателей.

2. КПД тепловой машины.

3. Влияние работы тепловых машин на окружающую среду.

1. Переходя к рассмотрению основного материала, необходимо подчеркнуть, что все физические явления, законы в конечном итоге находят применение в повседневной жизни человека.

Жизнь людей невозможна без использования различных видов энергии. Источниками энергии являются различные виды топлива, энергия ветра, солнечная энергия, энергия приливов и отливов. Поэтому существуют различные типы машин, которые реализуют в сво­ей работе превращение одного вида энергии в другой.

Таким образом, машина - устройство, которое служит для преобразова­ния одного вида энергии в другой. Другого назначения у машин нет.

Электрические двигатели преобразуют электрическую энергию в меха­ническую, генераторы преобразуют механическую в электрическую, и так далее.

Тепловые машины преобразуют внутреннюю энергию в механическую. Внутренняя энергия тепловых машин образуется за счет энергии топлива. К ним относятся: паровая и газовая турбины, двигатель внутреннего сгора­ния, дизель, паровая машина, реактивный двигатель.

Разнообразие видов тепловых машин указывает лишь на различие в конструкции и принципах преобразования энергии. Общим для всех тепло­вых машин является то, что они изначально увеличивают свою внутрен­нюю энергию за счет сгорания топлива, с последующим преобразованием внутренней энергии в механическую. Любой газ, который расширяется, совершает положительную работу:

U = А, где А - работа газа, -AU - уменьшение внутренней энергии.

2.  Очевидно, что никогда не может произойти эквивалентного преобра­зования внутренней энергии в работу: часть внутренней энергии уходит на нагревание деталей машин, на преодоление трения в узлах, на рассеивание в окружающую среду. Первая паровая машина преобразовывала менее 1% от всей энергии в полезную работу.

Под коэффициентом полезного действия (КПД) машины понимают отношение работы к той энергии, которая выделилась при полном сгорании топлива. КПД машины обозначается буквой η («эта»).

η= ~ -100%. Так как А < Q, для всех машин η < 100%.

Если проследить историю развития тепловых машин, то следует заме­тить, что постоянное усовершенствование машин в конструкции, в создании новых видов топлива привело к тому, что современные машины имеют дос­таточно высокие значения КПД по сравнению с первоначальными моделями. Для современных паровых турбин КПД достигает 30-40%, для двигателей внутреннего сгорания 30-35%, для дизельных двигателей 35-42%.

3. При использовании тепловых машин остро встает вопрос загрязнения окружающей среды.

При сжигании топлива в атмосферу попадает очень много вредных вы­бросов. К ним можно отнести углекислый газ СО2, угарный газ СО, раз­личные виды сернистых соединений, а также соединения тяжелых метал­лов.

Поэтому очень большое внимание следует уделять развитию методов защиты окружающей среды от этих продуктов сгорания и создание новых альтернативных источников энергии. К ним можно отнести двигатели, работающие на солнечной энергии, на электрической энергии, на энергии приливных волн и так далее. Именно это "направление является наиболее перспективным.

Кроме того, такие виды топлива как нефть, уголь, природный газ явля­ются невосполнимыми источниками энергии. В ближайшие 50-100 лет человечество столкнется с проблемой нехватки традиционных видов топлива,с другой стороны, прогресс нашей цивилизации напрямую связан с, применением различных видов тепловых машин: нет ни одной области человеческой деятельности, где бы не применялись машины.

С момента, когда Джеймс Уатт в 1768 г. построил первую паровую ма­шину, до настоящего времени прошло более 240 лет. За это время тепловые машины очень сильно изменили содержание человеческого труда. Именно; применение этих машин позволило человечеству шагнуть в космос, раскрыть тайны морских глубин. Уровень развития любой страны определяется тем, какое количество различных машин приходится на душу населения.

Домашнее задание

1.      § 22-23 учебника; вопросы и задания к параграфу.

 

 

tak-to-ent.net

Способ работы теплового двигателя и тепловой двигатель

 

Тепловой двигатель предназначен для работы за счет теплоты промышленных газов и газов отопительных систем и может быть использован при создании теплосиловых установок и в качестве привода различных машин. Газ подают через направляющий аппарат в разгонную камеру под углом к направлению вращения, где одновременно с расширением отводят от него тепло (охлаждают). Отводимое тепло преобразуют во вращательное движение, для этого на всем пути в разгонной камере увеличивают радиальную скорость потока обратно пропорционально радиусу вращения, увеличивают высоту потока обратно пропорционально уменьшению плотности. При этом выдерживают угол вращения меньше 40o и разность давления между входным и выходным сечениями, равным или меньшим тангенциальной составляющей динамического давления потока. После расширения и срабатывания скоростного напора на лопатках турбины рабочее тело сжимают. Затем рабочее тело нагревают и снова расширяют с отводом тепла. Осуществляют способ с помощью теплового двигателя, выполненного в виде кольцевой разгонной камеры, образованной между двумя кольцевыми плоскостями, переходящими в осевое направление на выходе. На входе в камеру установлен направляющий аппарат. На выходе из разгонной камеры установлена газовая турбина, пройдя которую, поток попадает в осевой компрессор, сжимается и выбрасывается наружу, при этом мощность через вал турбины передается потребителю энергии и компрессору. 2 с. и 5 з.п.ф-лы, 7 ил.

Изобретение относится к области оздоровления окружающей среды (к экологии), конкретно к области тепловых двигателей, работающих за счет теплоты промышленных газов, газов отопительных систем. Оно может быть применено при создании теплосиловых установок и в качестве привода различных машин.

Известны тепловые двигатели (газотурбинные двигатели), работающие за счет теплоты сжигаемого топлива. Процесс расширения рабочего тела у них осуществляется в сопловых аппаратах. Механическую же энергию получают путем срабатывания скоростного напора струи на лопатках рабочего колеса осевых или центростремительных турбин, преобразуя в работу лишь часть подводимого тепла. Способ работы газотурбинного двигателя с подводом тепла при постоянном давлении составляют следующие приемы: рабочее тело сжимают по адиабате, затем нагревают по изобаре, после чего расширяют по адиабате и потом рабочее тело охлаждают (точнее заменяют охлажденным) по изобаре. Недостатком способа является то, что охлаждение рабочего тела осуществляют после процесса расширения и тепло отводят в холодильник. Это резко снижает эффективность тепловых двигателей и не позволяет использовать имеющиеся источники тепла (газы отопительных систем, промышленные газы, подогретый воздух и др.). Задачей изобретения является создание способа работы теплового двигателя, а также самого двигателя, в котором тепло от рабочего тела отводилось бы не после его расширения, но во время протекания процесса расширения, причем тепло отводилось бы не в холодильник, как у всех известных тепловых двигателей, а преобразовывалось бы во вращательное движение самого рабочего тела. Иначе говоря, задачей является создать рабочему телу такие условия движения, при которых часть его теплоты самопроизвольно (спонтанно) генерировала бы приращение вращательного движения самого рабочего тела. Для решения задачи предлагается способ работы теплового двигателя, основанный на подаче рабочего тела на лопатки направляющего аппарата, расширении его в разгонной камере между лопатками направляющего аппарата и рабочими лопатками турбины, срабатывании скоростного напора на лопатках турбины, сжатии рабочего тела и подводе к нему тепла, отличающийся тем, что рабочее тело сжимают не после его охлаждения, как у известных газотурбинных двигателей, а непосредственно после срабатывания скоростного напора на лопатках турбины. Тепло же от рабочего тела отводят при расширении во время движения в разгонной камере на пути от соплового аппарата до рабочих лопаток турбины. При этом тепло отводят не в холодильник, как у известных тепловых двигателей, а преобразуют во вращательное движение, для чего на всем пути в разгонной камере увеличивают радиальную скорость потока обратно пропорционально радиусу вращения, увеличивают высоту потока обратно пропорционально плотности, выдерживают перепад давления в разгонной камере между входным и выходным сечениями равным тангенциальной составляющей скоростного напора потока и выдерживают угол вращения меньше 40o. При определенных условиях работы двигателя оптимальный угол вращения выдерживают равным 31o40'. Во время движения рабочего тела в разгонной камере, при выполнении перечисленных приемов, кроме процесса обычного расширения и одновременно с этим процессом протекает процесс перехода части теплового движения каждой отдельной молекулы газа, как и всего газа, во вращательное движение, то есть происходит спонтанный процесс непосредственного перехода теплоты рабочего тела во вращательное движение (см Л.П.Козлов, Центростремительное стягивание. Издательство института Горного дела им. А.А.Скочинского, М., 1991 г. Иначе говоря, расширение и отвод тепла (но не в холодильник) протекают одновременно. В результате, после расширения рабочего тела и затем срабатывания скоростного напора на лопатках турбины, отпадает надобность отвода тепла в теплообменник, без которого не могут работать известные тепловые двигатели. В результате предлагаемый способ (термодинамический цикл) составляют не 4, а только 3 следующих приема: рабочее тело сжимают по адиабате; подводят к нему тепло по изобаре; рабочее тело расширяют по генерате. Как показано выше, расширение в разгонной камере происходит с одновременным спонтанным переходом части теплоты газа во вращательное его движение. Теплота генерирует (производит, рождает) вращательное движение молекул газа и всего рабочего тела. Поэтому этот прием расширения газа можно назвать: рабочее тело расширяют по генерате. Осуществление описанных приемов создает условия для самопроизвольного перехода теплового движения газа в его вращательное движение во время процесса расширения. Кроме того, одновременно с переходом теплоты во вращательное движение, в разгонной камере совершается также обычное (с увеличением удельного объема) преобразование теплоты в работу, обусловленное отводом тепла при расширении рабочего тела. На фиг. 1 представлено графическое изображение в координатах PV (P-давление; V-объем) термодинамического цикла теплового двигателя, при котором рабочее тело расширяют в разгонной камере (линия 2-3) с отводом от него тепла и преобразованием этого тепла во вращательное движение (расширяют по генерате), затем сжимают по адиабате (линия 3-1), после чего подводят к нему тепло (линия 1-2), снова расширяют и т.д. На фиг. 2 термодинамический цикл предлагаемого способа вписан (с целью наглядности) в графическое изображение термодинамического цикла газотурбинной установки с подводом тепла при постоянном давлении. Из графика на фиг. 2 видно, что если расширение производить по адиабате (линия 2-4), осуществляя цикл газотурбинной установки, то после расширения требовалось бы отводить тепло в холодильник в количестве, соответствующем линии 4-3. В случае же предлагаемого способа, это тепло преобразуют во вращательное движение рабочего тела. Таким образом, в предлагаемом способе все подводимое тепло преобразуют в скоростной напор рабочего тела. Описанный способ работы теплового двигателя положен в основу создания двигателя, предназначенного для преобразования в механическую энергию теплоты газов отопительных систем, а также других возобновляемых источников тепла. На фиг. 3, 4, 5, 6 и 7 изображены схемы вариантов исполнения теплового двигателя. Основными его частями (см. фиг. 3 и 4) являются: разгонная камера 1 с направляющим аппаратом 2, осевая газовая турбина с рабочими лопатками 3 на ее колесах, осевой компрессор с рабочими лопатками 4. Колеса турбины и компрессора посажены на вал 5, вращающийся в подшипниках, смонтированных в опорах 6. Через вал полезная мощность передается потребителю 7. Кроме того, для запуска смонтирован стартер 8 (двигатель внутреннего сгорания, электродвигатель и т.д.) с обгонной муфтой 9. Во время работы теплового двигателя газ поступает через направляющий аппарат 2 в разгонную камеру 1 под углом к направлению вращения. Закрученный в направляющем аппарате поток, вращаясь, движется в разогретой камере к оси вращения, имея составляющие своей скорости U движения - тангенциальную U и радиальную UR. Под действием радиального градиента давления, а также за счет производства (генерации) вращательного движения рабочего тела из его теплоты, эти составляющие возрастают по мере приближения к оси вращения каждой единичной массы. При этом U возрастает в соответствии с известным законом сохранения момента импульса, а UR увеличивается в соответствии с уравнением расхода. На некотором расчетном расстоянии от оси вращения поток поворачивается на 90o, причем во время поворота его скорость и упомянутые составляющие этой скорости продолжают возрастать. С максимальной скоростью поток рабочего тела входит на рабочие лопатки 3 колеса турбины, где происходит преобразование кинетической энергии газа, накопленной в разгонной камере 1, в энергию вращения вала 5. Через вал 5 мощность передается компрессору 4, а также потребителю энергии 7. Пройдя через рабочие лопатки 3 турбины, отработавший, разреженный и охлажденный газ поступает на лопатки 4 осевого компрессора, где сжимается до атмосферного давления и затем выбрасывается наружу. Тепловой двигатель запускается с помощью двигателя внутреннего сгорания 8 (либо с помощью электродвигателя, или другим способом) с обгонной муфтой 9. После запуска стартовый двигатель отключается. Во время запуска компрессор 4 всасывает нагретый газ через разгонную камеру и выталкивает его наружу. При этом по мере набора оборотов валом 5 будет возрастать скорость потока U и уменьшаться давление перед газовой турбиной. Как только расход рабочего тела и, следовательно, скорость потока достигнет такой величины, на которую рассчитаны лопатки турбины и компрессора, тепловой двигатель станет самостоятельно набирать оптимальные обороты, после чего стартер 8 отключается и включается потребитель энергии 7. Начинается работа теплового двигателя в заданном режиме. Второй вариант теплового двигателя показан на фиг. 5. Он отличается от описанного только тем, что здесь вместо осевой турбины смонтировано колесо центростремительной турбины 3. В этом случае разгонная камера 1 становится плоской, так как поворот потока с вертикального на осевое направление происходит в центростремительной турбине 3. В остальном же как устройство, так и его работа не отличаются от устройства и работы варианта на фиг. 3 и 4. Здесь и в выше описанном случае нагретый газ течет через направляющий аппарат 2 в разгонную камеру 1, в которой разгоняется и охлаждается. Из разгонной камеры рабочее тело поступает на колесо центростремительной турбины 3, где скоростной напор преобразуется в работу вращения вала 5. С колеса турбины отработавший газ захватывается рабочими лопатками осевого компрессора 4, сжимается и выбрасывается в атмосферу. С вала 5 часть мощности передается компрессору 4, а другая часть поступает к потребителю 7. Вариант теплового двигателя, изображенный на фиг. 6 и 7, отличается тем, что компрессор установлен перед разгонной камерой. Благодаря этому в разгонную камеру поступает сжатый и подогретый газ, а из разгонной камеры выходит поток, имеющий статическое давление, равное атмосферному давлению. В этом случае компрессор более компактен, так как сжимает более плотный газ. Кроме того, здесь отсутствует влияние низкой температуры на прочность частей компрессора. Недостатком же является более высокая затрата мощности на сжатие в одинаковое число раз единицы массы рабочего тела, из-за более высокой начальной температуры, то есть температуры перед сжатием.

Формула изобретения

1. Способ работы теплового двигателя, работающего за счет теплоты промышленных газов, газов отопительных систем, включающий подачу рабочего тела через сопловой аппарат, сработывание скоростного напора на лопатках турбины, сжатие рабочего тела и его подогрев, а также отвод тепла от рабочего тела, отличающийся тем, что тепло от рабочего тела отводят при расширении в разгонной камере и во время отвода преобразуют все отводимое тепло во вращательное движение рабочего тела, за счет того что выдерживают разность давлений между входным и выходным сечениями разгонной камеры равной или меньшей тангенциальной составляющей скоростного напора потока, выдерживают угол вращения на всем пути разгонной камеры меньше 40o, а высоту потока увеличивают обратно пропорционально плотности рабочего тела. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что угол вращения потока на всем пути в разгонной камере выдерживают равным 31o 40'. 3. Тепловой двигатель, содержащий корпус с магистралями подвода и отвода рабочего тела, размещенные в корпусе сопловой аппарат, рабочее колесо газовой турбины и компрессор, отличающийся тем, что между сопловым аппаратом и колесом турбины образована разгонная камера с увеличивающейся высотой от входа к выходу, причем угол вращения рабочего тела на всем пути разгонной камеры меньше 40o. 4. Двигатель по п.3, отличающийся тем, что при выполнении рабочего колеса турбины осевого типа разгонная камера выполнена радиально-осевой. 5. Двигатель по п.3, отличающийся тем, что при выполнении рабочего колеса турбины центростремительного типа разгонная камера выполнена радиальной. 6. Двигатель по п.3, отличающийся тем, что при расширении рабочего тела до давления ниже атмосферного компрессор устанавливается за турбиной. 7. Двигатель по п.3, отличающийся тем, что при расширении рабочего тела от давления выше атмосферного до атмосферного давления компрессор устанавливается перед турбиной.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7

www.findpatent.ru

Что такое тепловой двигатель

Цель: познакомится с тепловыми двигателями, которые используются в современном мире.

В ходе работы мы попытались ответить на следующие вопросы:

  • Что такое тепловой двигатель?
  • Каков принцип его действия?
  • КПД теплового двигателя?
  • Какие типы тепловых двигателей существуют?
  • Где они применяются?
Тепловой двигатель.

Запасы внутренней энергии в земной коре и океанах можно считать практически неограниченными. Но располагать запасами энергии еще не достаточно. Необходимо уметь за счет энергии приводить в движение станки на фабриках и заводах, средства транспорта, тракторы и другие машины, вращать роторы генераторов электрического тока и т. д. Человечеству нужны двигатели – устройства, способные совершать работу. Большая часть двигателей на Земле – это тепловые двигатели.

В простейшем опыте, который заключается в том, что в пробирку наливают немного воды и доводят ее до кипения (причем пробирка изначально закрыта пробкой), пробка под давлением образовавшегося пара поднимается вверх и выскакивает. Другими словами, энергия топлива переходит во внутреннюю энергию пара, а пар, расширяясь, совершает работу, выбивая пробку. Так внутренняя энергия пара превращается в кинетическую энергию пробки.

Если пробирку заменить прочным металлическим цилиндром, а пробку поршнем, который плотно прилегает к стенкам цилиндра и свободно перемещаться вдоль них, то получится простейший тепловой двигатель.

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

Принципы действия тепловых двигателей.

Для того чтобы двигатель совершал работу, необходима разность давлений по обе стороны поршня двигателя или лопастей турбины. Во всех тепловых двигателях эта разность давлений достигается за счет повышения температуры рабочего тела на сотни или тысячи градусов по сравнению с температурой окружающей среды. Такое повышение температуры происходит при сгорании топлива.

Рабочим телом у всех тепловых двигателей является газ, который совершает работу при расширении. Обозначим начальную температуру рабочего тела (газа) через Т1. Эту температуру в паровых турбинах или машинах приобретает пар в паровом котле.

В двигателях внутреннего сгорания и газовых турбинах повышение температуры происходит при сгорании топлива внутри самого двигателя. Температуру Т1 называют температурой нагревателя.

По мере совершения работы газ теряет энергию и неизбежно охлаждается до некоторой температуры Т2. Эта температура не может быть ниже температуры окружающей среды, так как в противном случае давление газа станет меньше атмосферного и двигатель не сможет совершить работу. Обычно температура Т2 несколько больше температуры окружающей среды. Ее называют температурой холодильника. Холодильником является атмосфера или специальные устройства для охлаждения и конденсации отработанного пара – конденсаторы. В последнем случае температура холодильника может быть ниже температуры атмосферы.

Таким образом, в двигателе рабочее тело при расширении не может отдать всю свою внутреннюю энергию на совершение работы. Часть теплоты неизбежно передается холодильнику (атмосфере) вместе с отработанным паром или выхлопными газами двигателей внутреннего сгорания и газовых турбин. Эта часть внутренней энергии теряется.

Тепловой двигатель совершает рабату за счет внутренней энергии рабочего тела. Причем в этом процессе происходит передача теплоты от более горячих тел (нагревается) к более холодным (холодильнику).

Принципиальная схема изображена на рисунке.

Коэффициент полезного действия (КПД) теплового двигателя.

Невозможность полного превращения внутренней энергии газа в работу тепловых двигателей обусловлена необратимостью процессов в природе. Если бы теплота могла самопроизвольно возвращаться от холодильника к нагревателю, то внутренняя энергия могла быть полностью превращена в полезную работу с помощью любого теплового двигателя.

Коэффициентом полезного действия теплового двигателя η называется выраженное в процентах отношение полезной работы Ап, совершенной двигателем, к количеству теплоты Q1 , полученной от нагревателя.

Формула:

Так как у всех двигателей некоторое количество теплоты передается холодильнику, то η

Максимальное значение КПД

Законы термодинамики позволяют вычислить максимально возможный КПД теплового двигателя. Впервые это сделал французский инженер и ученый Сади Карно (1796-1832) в труде «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу» (1824г.).

Карно придумал идеальную тепловую машину с идеальным газом в качестве рабочего тела. Он получил для КПД этой машины следующее значение:

Т1 – температура нагревателя

Т2 – температура холодильника

Главное значение этой формулы состоит в том, как доказал Карно, что любая реальная тепловая машина, работающая с нагревателем, имеющим температуру Т1, и холодильником с температурой Т2, не может иметь КПД, превышающий КПД идеальной тепловой машины.

Формула дает теоретический предел для максимального значения КПД тепловых двигателей. Она показывает, что тепловой двигатель тем эффективнее, чем выше температура нагревателя и ниже температура холодильника.

Но температура холодильника не может быть ниже температуры окружающего воздуха. Повышать температуру нагревателя можно. Однако любой материал (твердое тело) обладает ограниченной теплостойкостью, или жаропрочностью. При нагревании он постепенно утрачивает свои упругие свойства, а при достаточно высокой температуре плавится.

Сейчас основные усилия инженеров направлены на повышение КПД двигателей за счет уменьшения трения их частей, потерь топлива вследствие неполного сгорания и т.д. Реальные возможности для повышения КПД здесь еще остаются большими.

Двигатель внутреннего сгорания

Двигатель внутреннего сгорания - это тепловая машина, в которой в качестве рабочего тела используются газы высокой температуры, образующиеся при сгорании жидкого или газообразного топлива непосредственно внутри камеры поршневого двигателя.

Строение четырехтактного автомобильного двигателя.

  • цилиндр,
  • камера сгорания,
  • поршень,
  • входной клапан;
  • выходной клапан,
  • свеча;
  • шатун;
  • маховик.
Некоторые сведения о двигателях Тип двигателя
Карбюраторный Дизельный
Рабочее тело Воздух, насыщенный парами бензина   Воздух
Топливо Бензин  Мазут, нефть
Максимальное давление в камере  6105 Па 1,5106 —3,5106 Па
Температура, достигаемая при сжатии рабочего тела  360—400 ºС 500—700 ºС
Температура продуктов сгорания топлива  1800 ºС 1900 ºС
КПД:

для серийных машин для лучших образцов 

 

20—25%

35%

 

30—38%

45%

Работа ДВС

1 такт - "всасывание" поршень движется вниз, через впускной клапан в камеру сгорания всасывается горючая смесь - пары бензина с воздухом. В конце такта всасывающий клапан закрывается;

2 такт - "сжатие"- поршень поднимается вверх, сжимая горючую смесь. В конце такта в свече проскакивает искра, и горючая смесь воспламеняется;

3 такт - "рабочий ход"- газообразные продукты сгорания достигают высокой температуры и давления, с большой силой давят на поршень, который опускается вниз, и с помощью шатуна и кривошипа приводит во вращение коленчатый вал;

4 такт - "выхлоп"- поршень поднимается вверх и через выходной клапан выталкивает отработавшие газы в атмосферу. Температура выбрасываемых газов 5000

В автомобилях используют чаще всего четырехцилиндровые двигатели. 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. Много цилиндровые двигатели в лучшей степени обеспечивают равномерность вращения вала и имеют большую мощность.

Карбюраторные двигатели применяют в легковых машинах сравнительно небольшой мощности. Дизельные - в более тяжелых машинах большой мощности (тракторы, грузовые тягачи, тепловозы),на разного рода судах.

Паровая турбина

5 – вал, 4 – диск, 3 – пар, 2 – лопатки,

1 – лопатки.

Паровая турбина является основной частью паросиловой установки. В паросиловой установке из котла в паропровод выходит перегретый водяной пар с температурой около 300-500 0С и давлением 17-23 МПа. Пар приводит во вращение ротор паровой турбины, который приводит во вращение ротор электрического генератора, вырабатывающего электрический ток. Отработанный пар поступает в конденсатор, где сжижается, образовавшаяся вода с помощью насоса поступает в паровой котел и снова превращается в пар.

Распыленное жидкое или твердое топливо сгорает в топке, подогревая котел.

Строение турбины

  • Барабан с системой сопел - расширяющиеся трубки особой конфигурации;
  • ротор - вращающийся диск с системой лопаток.
Принцип действия

Струи пара, с огромной скоростью (600-800 м/с) вырывающиеся из сопел, направляются на лопатки ротора турбины, давят на них и приводят ротор во вращение с большой скоростью (50 об/с). Происходит преобразование внутренней энергии пара в механическую энергию вращения ротора турбины. Пар, расширяясь при выходе из сопла, совершает работу и охлаждается. Отработанный пар выходит в паропровод, его температура к этому моменту становится немного выше 100° С, далее пар поступает в конденсатор, давление в котором в несколько раз меньше атмосферного. Конденсатор охлаждается холодной водой.

Первая паровая турбина, нашедшая практическое применение, была изготовлена Г. Лавалем в 1889г.

Используемое топливо: твердое - уголь, сланцы, торф; жидкое - нефть, мазут. Природный газ.

Турбины устанавливают на тепловых и атомных электростанциях. На них вырабатывается более 80% электроэнергии. Мощные паровые турбины устанавливают на крупных судах.

Газовая турбина

Важное преимущество этой турбины - упрощенное преобразование внутренней энергии газа во вращательное движение вала

Принцип действия

В камеру сгорания газовой турбины с помощью компрессора подается сжатый воздух при температуре примерно 200° С, и впрыскивается жидкое топливо (керосин, мазут) под большим давлением. Во время горения топлива воздух и продукты сгорания нагреваются до температуры 1500-2200°С. Движущийся с большой скоростью газ направляется на лопасти турбины. Переходя от одного ротора турбины к другому, газ отдает свою внутреннюю энергию, приводя ротор во вращение.

При выхлопе из газовой турбины газ имеет температуру 400-500 0 С.

Получаемая механическая энергия используется, например, для вращения винта самолета или ротора электрического генератора.

Газовые турбины - это двигатели, обладающие большой мощностью, поэтому их применяют в авиации

Реактивные двигатели

Принцип действия

В камере сгорания сгорает ракетное горючее (например, пороховой заряд) и образовавшиеся газы с большой силой давят на стенки камеры. С одной стороны камеры имеется сопло, через которое продукты сгорания вырываются в окружающее пространство. С другой стороны расширяющиеся газы давят на ракету, как на поршень, и толкают ее вперед.

Пороховые ракеты являются двигателями на твердом топливе. Они постоянно готовы к работе, легко запускаются, но остановить или управлять таким двигателем невозможно.

Значительно надежнее в управлении жидкостные ракетные двигатели, подачу топлива в которые можно регулировать.

В 1903 г. К. Э. Циолковский предложил конструкцию такой ракеты.

Реактивные двигатели используют в космических ракетах. На огромных воздушных лайнерах устанавливают турбореактивные и реактивные двигатели.

Использованные ресурсы

  • Физика. Справочник школьника. Научная разработка и составление Т. Фещенко, В. Вожегова: М.: Филологическое общество «Слово», Компания «Ключ-С»,1995. – 576 с.
  • Г.Я. Мякишев, Б.Б. Буховцев. Физика: Учеб. для 10 кл. сред. шк. – 2-е изд. – М.: Просвещение, 1992. – 222 с.: ил.
  • О.Н. Баранова. Выпускная работа слушателя курсов повышения квалификации РЦДО по программе «Интернет – технологии для учителя предметника». Презентация «Тепловые двигатели», 2005
  • http://pla.by.ru/art_altengines.htm - модели двигателей и анимационные картинки
  • http://festival.1september.ru/2004_2005/index.php?numb_artic=211269 Фестиваль педагогических идей «Открытый урок 2004-2005» Л.В. Самойлова
  • http://old.prosv.ru/metod/fadeeva7-8-9/07.htm Физика 7-8-9 Книга для учителя А.А. Фадеева, А.В. Засов

bigpo.ru

1.5.4 Работа тепловых двигателей. Научно-методический анализ темы "Основы термодинамики" в курсе физики средней общеобразовательной школы

Похожие главы из других работ:

Вспомогательные формы организации работы в школе (туристический клуб)

1.5.2 Домашняя работа

Необходимость домашней работы учащихся обусловлена не столько решением чисто дидактических задач (закрепления знаний, совершенствования умений и навыков и т.п.)...

Использование наглядных средств обучения на уроках истории

2.2.3 Работа с картинами

A.A. Вагин выделил несколько типов исторических картин: событийные, отражающие неповторимые исторические факты-события, происходившие лишь однажды, типологические, отражающие многократно повторяющиеся исторические факты-явления...

Использование обратной кинематики в программе Adobe Flash CS4

4.1 Лабораторная работа №1

Смена расположения костей, удаление костей, перемещение костей 1. Смена расположения костей и связанных с ними объектов. · смените расположение линейного каркаса, с помощью перемещение произвольной кости (Рисунок 31). Выбрать произвольную кость...

Использование обратной кинематики в программе Adobe Flash CS4

4.2 Лабораторная работа №2

Анимация простейшего каркаса 1. Создайте новый Flash документ и убедитесь, что вы выбрали ActionScript 3.0. Инструмент Кости будет работать только с документами AS 3.0 (Рисунок 37). Рисунок 37 - Выбор файла ActionScript 3.0 в панели New Document 2. Нарисуйте объект на сцене...

Использование обратной кинематики в программе Adobe Flash CS4

4.3 Лабораторная работа №3

Настройка ограничений костей 1. Создайте новый Flash документ и убедитесь, что вы выбрали ActionScript 3.0. Инструмент Кости будет работать только с документами AS 3.0. 2. Откройте файл «Лабораторная 3». Файл - Открыть - Лабораторная 3. 3...

Курс ОБЖ и ПДД в работе с детьми старшего дошкольного возраста

3. Работа с родителями

Особенность данной программы состоит в очень большом значении положительного примера в поведении взрослых. Поэтому педагогам следует не только учитывать это самим, но и уделять значительное внимание работе с родителями...

Методика изучения тепловых явлений на основе строения вещества

2.2 Методика изучения тепловых явлений

При изучении раздела «Тепловые явления» опираются на сведения из молекулярной физики, полученные учащимися в курсе физики 7 класса. Изложение материала всего раздела строится на использовании представлений о молекулярном строении вещества...

Научно-методический анализ темы "Основы термодинамики" в курсе физики средней общеобразовательной школы

1.5.1 Термодинамический метод изучения тепловых явлений

В основе термодинамического метода лежат следующие понятия: термодинамическая система, состояние термодинамической системы, термодинамические параметры состояния и равновесное состояние...

Особенности изучения морфологии в начальной школе

2.4 Работа над предлогами

Согласно программе, работа над предлогами проводится в начальных классах, однако в качестве самостоятельной темы предлоги не изучаются...

Педагогическая идеология Ш.А. Амонашвили

2.2 Экспериментальная работа

По сути, шестилетки были взяты ради опытно-преподавательской работы как свежее про советской педагогики пространство, что в различие с начальной школы, никак не говоря уж о наиболее старших ступенях учебы, не было этак агрессивно формализовано...

Педагогические условия организации закаливающих процедур с детьми дошкольного возраста

2.4 Работа с родителями

Работа с родителями является обязательным условием успешного проведения и результативности закаливающих процедур. Ведь все мероприятия, проводимые в детском саду, невозможны без участия семьи в этом процессе...

Первый закон термодинамики

Работа в термодинамике

Причиной изменения состояния газа, как и любых других тел, являются внешние воздействия, которые характеризуются двумя величинами: работой и количеством переданной теплоты. Сперва, рассматривается работа как величина...

Подходы к формированию фонда оценочных средств ВПО, НПО/СПО

2.2 Выпускная практическая квалификационная работа и письменная экзаменационная работа

Задание на выполнение письменной экзаменационной работы и выпускной практической квалификационной работы содержит краткое описание: действий (деятельности) аттестуемого и/или планируемого результата работ; условий, используемых материалов...

Проверка и оценка уровня знаний учащихся в процессе обучения географии

2.2.3 Самостоятельная работа

Традиционная форма контроля знаний, которая по своему назначению делится на обучающую самостоятельную работу и контролирующую. Самостоятельная работа творческого характера позволит не только проверить определенные знания, умения...

Проверка и оценка уровня знаний учащихся в процессе обучения географии

2.2.4 Контрольная работа

Контрольные работы проводятся с целью определения конечного результата в обучении по данной теме или разделу, контролировать знания одного и того же материала неоднократно. Целесообразно проводить контрольные работы различного вида...

ped.bobrodobro.ru