Виды тепловых двигателей

Виды тепловых двигателей

Виды тепловых двигателей

Теловой двигатель

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

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

Действие теплового двигателя подчиняется законам термодинамики. Для работы необходимо создать разность давления по обе стороны поршня двигателя или лопастей турбины.

Для работы двигателя обязательно наличие разницы температур, производится нагревание рабочего тела (газа), который совершает работу за счёт изменения своей внутренней энергии.

Повышение и понижение температуры осуществляется, соответственно, нагревателем (например, при сжигании топлива) и охладителем, в роли которой используется окружающая среда.

Миллионы автомобилей на двигателях внутреннего сгорания занимаются перевозом пассажиров и грузов. По железным дорогам ходят мощные тепловозы, по водным траекториям – теплоходы.

Самолеты и вертолеты снабжены поршневыми, турбореактивными и турбовинтовыми двигателями. Ракетные двигатели «толкают» в космическое пространство станции, корабли и спутники Земли.

Двигатели внутреннего сгорания в сельском хозяйстве устанавливают на комбайнах, насосных станциях, тракторах и прочих объектах.

Применение теплового двигателя

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

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

3.

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

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

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

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

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

Виды тепловых двигателей

1. Двигатель Стирлинга — тепловая машина, в которой рабочее тело, в виде газа или жидкости, движется в замкнутом объёме, разновидность двигателя внешнего сгорания.

Основан на периодическом нагреве и охлаждении рабочей площадки с извлечением энергии из возникающего при этом изменения объёма рабочего тела.

Может работать не только от сжигания топлива, но и от любого источника тепла.

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

В современной научной литература этот узел называется «регенератором»

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

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

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

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

Первая паровая машина построена в XVII в. Папеном и представляла цилиндр с поршнем, который поднимался действием пара, а опускался давлением атмосферы после сгущения отработавшего пара. На этом же принципе были построены в 1705 году вакуумные паровые машины Севери и Ньюкомена для выкачивания воды из копей.

Значительные усовершенствования в вакуумной паровой машине были сделаны Джеймсом Уаттом в 1769 году.

Дальнейшее значительное усовершенствование парового двигателя (применение на рабочем ходу пара высокого давления вместо вакуума) было сделано американцем Оливер Эвансом в 1769 году и англичанином Ричардом Тревитиком в 1800 году.

3.

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

Поршневой двигатель внутреннего сгорания сегодня является самым распространённым тепловым двигателем.

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

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

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

Первое отличие заключается в том, что паровоз 19 века работал на качественном дорогом топливе, например на антраците.

Современные же паротурбинные установки работают на дешевом топливе, например на канско — ачинском угле, который добывается открытым способом шагающими экскаваторами.

Но в подобном топливе много пустого балласта, который транспорту приходится возить с собой вместо полезного груза. Электровозу не надо возить не только балласт, но и топливо вообще.

Второе отличие заключается в том, что тепловая электрическая станция работает по циклу Ренкина, который близок к циклу Карно. Цикл Карно состоит из двух адиабат и двух изотерм.

Цикл Ренкина состоит из двух адиабат, изотермы и изобары с регенерацией тепла, которая приближает этот цикл к идеальному циклу Карно.

На транспорте трудно сделать такой идеальный цикл, так как у транспортного средства есть ограничения по массе и габаритам, которые практически отсутствуют у стационарной установки.

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

6. Реактивные и ракетные двигатели —представляет собой совмещенный тепловой двигатель и движетель, в нём внутренняя энергия топлива преобразуется в кинетическую энергию реактивной струи разогретого рабочего тела.

Реактивные двигатели отбрасывают нагретое рабочее тело с большой скоростью, за счет его проистечения, в соответствии с законом сохранения импульса, образуется реактивная сила, толкающая двигатель в противоположном направлении.

В тепловых реактивных двигателях обычно используется химическое топливо в газообразном, жидком или твердом состоянии, порождающее разогретый газ при сгорании.

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

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

Источник: https://poisk-ru.ru/s24696t11.html

Принципы работы тепловых двигателей

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

Тепловой двигатель состоит из:

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

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

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

Ничего непонятно?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

Одной из первых машин, в которой человек использовал солнечную энергию, была ветряная мельница. В такой мельнице вращение крыльев при дуновении ветра приводит в действие вал, который совершает работу.

Для появления ветра нужно, чтобы имелась разность давлений, которая появляется в результате температурной разницы в частях атмосферы.

Ветер – это конвекционное перемещение атмосферы, вызванное ее неравномерным нагревом.

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

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

Определение 1

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

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

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

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

Паровая машина

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

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

Паровые турбины используются на больших электростанциях и кораблях.

Паровой двигатель кроме основных элементов теплового двигателя имеет несколько вспомогательных устройств. Вся совокупность компонент парового двигателя называется паросиловой станцией.

В паровом двигателе осуществляет циркуляцию вода. Она становится паром в котле, выполняет работу в турбине, снова становится водой в барабане. Затем она отправляется при помощи насоса через сборный бак в котел.

Оборот воды в паросиловой станции изображен на схеме рис.1

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Двигатель внутреннего сгорания

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

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

  • бензиновый двигатель;
  • дизель;
  • реактивный двигатель.

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

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

Топливом для двигателей внутреннего сгорания может служить:

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

Рассмотрим четырехтактный бензиновый двигатель внутреннего сгорания.

Основная часть этого двигателя – один или несколько цилиндров, где сжигается топливо. Во внутренности цилиндра движется поршень. Поршень имеет вид полого цилиндра, закрытого с одной стороны.

Этот цилиндр опоясан пружинными кольцами, которые вложены в канавки на поршне.

Данные кольца должны не пропускать газы, которые появляются как результат сжигания топлива, в отсек между поршнем и стенками цилиндра.

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

В работе данного двигателя выделяют четыре этапа:

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

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

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

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

К преимуществам двигателя внутреннего сгорания относят:

  • компактность,
  • небольшую массу.

Недостатками таких двигателей являются:

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

Источник: https://spravochnick.ru/fizika/teplovye_dvigateli/vidy_teplovyh_dvigateley/

Реферат: Физическая основа и виды тепловых двигателей

Виды тепловых двигателей

1. Введение 3

2. История тепловых двигателей 4

3. Физическая основа теплового двигателя 10

4. Виды тепловых двигателей 13

4.1 Паровые двигатели 13

4.1.1 Паросиловая станция 13

4.1.2 Паровая турбина 15

4.1.3 Поршневая паровая машина 17

4.2 Двигатели внутреннего сгорания 19

4.2.1 Цикл Карно 19

4.2.2 Четырехтактный карбюраторный двигатель 21

4.2.3 Двухтактный двигатель 23

4.2.4 Бензиновый двигатель внутреннего сгорания 26

4.2.5 Двигатель Дизеля 31

4.2.6 Двигатель Стирлинга 32а

4.3 Реактивные двигатели 33

4.3.1 Воздушно-реактивный двигатель 35

4.3.2 Ракетные двигатели 38

4.4 Термомагнитные двигатели и тепловые двигатели

с внешним подводом тепла 41

5. КПД тепловых двигателей 47

5.1 Максимальное значение КПД тепловых двигателей 49

5.2 КПД двигателей внутреннего сгорания 52

6. Тепловые двигатели и окружающая среда 53

7. Практическая часть 60

8. Заключение 62

9. Приложение 63

10. Литература 68

1. Введение

Запасы внутренней энергии в земной коре и в океанах практически безграничны. Для того чтоб превратить часть этой энергии в механическую, чаще всего пользуются тепловыми двигателями – устройствами, которые позволяют превращать внутреннюю энергию пара или газа в механическую.

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

Тепловые двигатели — паровые турбины — устанавливаются на тепловых электростанциях, где они приводят в движение роторы генераторов электрического тока, а также на всех атомных электростанциях для получения пара высокой температуры.

На всех основных видах современного транспорта преимущественно используются тепловые двигатели: на автомобильном — поршневые двигатели внутреннего сгорания, на водном — двигатели внутреннего сгорания и паровые турбины, на железнодорожном — тепловозы с дизельными установками, в авиации — поршневые, турбореактивные и реактивные двигатели.

Без тепловых двигателей современная цивилизация немыслима. Мы не имели бы в изобилии дешевую электроэнергию и были бы лишены всех двигателей скоростного транспорта. Именно это и побудило меня к написанию этого реферата.

Мне захотелось узнать как можно больше о том, что окружает нас, ведь тепловые двигатели в настоящее время используются везде, но все же не все знают их историю, их виды и то как они влияют на окружающую среду.

2. История тепловых двигателей

В древности люди приводили в действие простейшие механизмы руками или с помощью животных.

Затем они научились использовать силу ветра, плавая на парусных кораблях. Они научились так же использовать ветер для вращения ветряных мельниц, перемалывающих зерно в муку. Позже они стали применять энергию течения воды в реках для вращения водяных колес. Эти колеса перекачивали и поднимали воду или приводили в действие различные механизмы.

История появления тепловых двигателей уходит в далекое прошлое. Говорят, еще две с лишним тысячи лет назад, в III веке до нашей эры, великий греческий механик и математик Архимед построил пушку, которая стреляла с помощью пара. Как же стреляла эта пушка? Один конец ствола сильно нагревали на огне. Затем в нагретую часть ствола наливали воду.

Вода мгновенно испарялась и превращалась в пар. Пар, расширяясь, с силой и грохотом выбрасывал ядро. Для нас интересно здесь то, что ствол пушки представлял собой цилиндр, по которому как поршень скользило ядро.

Примерно тремя столетиями позже в Александрии — культурном и богатом городе на африканском побережье Средиземного моря — жил и работал выдающийся ученый Герон, которого историки называют Героном Александрийским. Герон оставил несколько сочинений, дошедших до нас, в которых он описал различные машины, приборы, механизмы, известные в те времена.

В сочинениях Герона есть описание интересного прибора, который сейчас называют Героновым шаром. Он представляет собой полый железный шар, закрепленный так, что может вращаться вокруг горизонтальной оси. Из закрытого котла с кипящей водой пар по трубке поступает в шар, из шара он вырывается наружу через, изогнутые трубки, при этом шар приходит во вращение.

Внутренняя энергия пара превращается в механическую энергию вращения шара. Геронов шар — это прообраз современных реактивных двигателей.

В то время изобретение Герона не нашло применения и осталось только забавой. Прошло 15 столетий.

Во времена нового расцвета науки и техники, наступившего после периода средневековья, об использовании внутренней энергии пара задумывается Леонардо да Винчи. В его рукописях есть несколько рисунков с изображением цилиндра и поршня. Под поршнем в цилиндре находится вода, а сам цилиндр подогревается.

Леонардо да Винчи предполагал, что образовавшийся в результате нагрева воды пар, расширяясь и увеличиваясь в объеме, будет искать выход и толкать поршень вверх. Во время своего движения вверх поршень мог бы совершать полезную работу. Несколько иначе представлял себе двигатель, использующий энергию пара, Джованни Бранка, живший на век позже великого Леонардо.

Это было колесо с лопатками, в которое с силой ударяла струя пара, благодаря чему колесо начинало вращаться. По существу, это была первая паровая турбина.

В XVII-XVIII веках над изобретением паровой машины трудились англичане Томас Севери (1650-1715) и Томас Ньюкомен (1663-1729), француз Дени Папен (1647-1714), русский ученый Иван Иванович Ползунов (1728-1766) и многие другие.

Папен построил цилиндр, в котором вверх и вниз свободно перемёщался поршень.

Поршень был связан тросом, перекинутым через блок, с грузом, который вслед за поршнем также поднимался и опускался. По мысли Папена, поршень можно было связать с какой-либо машиной, например водяным насосом, который стал бы качать воду. В нижнюю откидывающуюся часть цилиндра насыпали порох, который затем поджигали.

Образовавшиеся газы, стремясь расшириться, толкали поршень вверх.

После этого цилиндр и поршень с наружной стороны обливали холодной водой. Газы в цилиндре охлаждались, и их давление на поршень уменьшалось.

Поршень под действием собственного веса и наружного атмосферного давления опускался вниз, поднимая при этом груз. Двигатель совершал полезную работу.

Для практических целей он не годился: слишком уж сложен был технологический цикл его работы (засыпка и поджигание пороха, обливание водой, и это на протяжении всей работы двигателя!).

Кроме того, применение подобного двигателя было далеко не безопасным. Однако нельзя не усмотреть в первой машине Папена черты современного двигателя внутреннего сгорания.

В своем новом двигателе Папен вместо пороха использовал воду. Ее наливали в цилиндр под поршень, а сам цилиндр разогревали снизу. Образующийся пар поднимал поршень.

Затем цилиндр охлаждали, и находящийся в нем пар конденсировался — снова превращался в воду. Поршень, как и в случае порохового двигателя, под действием своего веса и атмосферного давления опускался вниз.

Этот двигатель работал лучше, чем пороховой, но для серьезного практического использования был также малопригоден: нужно было подводить и отводить огонь, подавать охлажденную воду, ждать, пока пар сконденсируется, перекрывать воду и т.п.

Все эти недостатки были связаны с тем, что приготовление пара, необходимого для работы двигателя, происходило в самом цилиндре

А что если в цилиндр впускать уже готовый пар, полученный, например, в отдельном котле? Тогда достаточно было бы попеременно впускать в цилиндр то пар, то охлажденную воду, и двигатель работал бы с большей скоростью и меньшим потреблением топлива. Примерная схема работы двигателя Папена в Приложении, рис 1

Об этом догадался современник Дени Папена англичанин Томас Севери, построивший паровой насос для откачки воды из шахты. В его машине приготовление пара происходило вне цилиндра — в котле. Вслед за Севери паровую машину (также приспособленную для откачивания воды из шахты) сконструировал английский кузнец Томас Ньюкомен.

Он умело использовал многое из того, что было придумано до него. Ньюкомен взял цилиндр с поршнем Папена, но пар для подъема поршня получал, как и Севери, в отдельном котле. Примерная схема работы насоса Сэвери представлена в Приложении, рис 2.

Машина Ньюкомена, как и все ее предшественницы, работала прерывисто — между двумя рабочими ходами поршня была пауза. Высотой она была с четырех-пятиэтажный дом и, следовательно, исключительно «прожорлива»: пятьдесят лошадей еле-еле успевали подвозить ей топливо.

Обслуживающий персонал состоял из двух человек: кочегар непрерывно подбрасывал уголь в «ненасытную пасть» топки, а механик управлял кранами, впускающими пар и холодную воду в цилиндр. Примерная схема работы машины Ньюкмена представлена в Приложении, рис 3 Понадобилось еще 50 лет, прежде чем был построен универсальный паровой двигатель.

Это произошло в России, на одной из отдаленных ее окраин — Алтае, где в то время работал гениальный русский изобретатель, солдатский сын Иван Ползунов.

Ползунов построил свою «огнедействующую машину» на одном из барнаульских заводов.

Это изобретение было делом его жизни и, можно сказать, стоило ему жизни. В апреле 1763 года Ползунов заканчивает расчеты и подает проект на рассмотрение.

В отличие от паровых насосов Севери и Ньюкомена, о которых Ползунов знал, и недостатки которых ясно осознавал, это был проект универсальной машины непрерывного действия. Машина предназначалась для.

воздуходувных мехов, нагнетающих воздух в плавильные печи.

Главной ее особенностью было то, что рабочий вал качался непрерывно, без холостых пауз.

Это достигалось тем, что Ползунов предусмотрел вместо одного цилиндра, как это было в машине Ньюкомена, два попеременно работающих. Пока в одном цилиндре поршень под действием пара поднимался вверх, в другом пар конденсировался, и поршень шел вниз.

Оба поршня были связаны одним рабочим валом, который они поочередно поворачивали то в одну, то в другую стороны. Рабочий ход машины осуществлялся не за счет атмосферного давления, как у Ньюкомена, а благодаря работе пара в цилиндрах.

Весной 1766 года ученики Ползунова, спустя неделю после его смерти (он умер в 38 лет), испытали машину. Она работала в течение 43 суток и приводила в движение мехи трех плавильных печей.

Потом котел дал течь; кожа, которой были обтянуты поршни (чтобы уменьшить зазор между стенкой цилиндра и поршнем), истерлась, и машина остановилась навсегда. Больше ею никто не занимался. Примерная схема работы машины Ползунова представлена в Приложении, рис 4.

Создателем другого универсального парового двигателя, который получил широкое распространение, стал английский механик Джеймс Уатт (1736-1819). Работая над усовершенствованием машины Ньюкомена, он в 1784 году построил двигатель, который годился для любых нужд. Изобретение Уатта было принято на ура.

В наиболее развитых странах Европы ручной труд на фабриках и заводах все больше и больше заменялся работой машин. Универсальный двигатель стал необходим производству, и он был создан.

В двигателе Уатта применен так называемый кривошипно-шатунный механизм, преобразовывающий возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение колеса. Уже потом было придумано «двойное действие» машины: направляя поочередно пар то под поршень, то сверху поршня, Уатт превратил оба его хода (вверх и вниз) в рабочие.

Машина стала мощнее. Пар в верхнюю и нижнюю части цилиндра направлялся специальным парораспределительным механизмом, который впоследствии был усовершенствован и назван «золотником». Затем Уатт пришел к выводу, что вовсе не обязательно все время, пока поршень движется, подавать в цилиндр пар.

Достаточно впустить в цилиндр какую-то порцию пара и сообщить поршню движение, а дальше этот пар начнет расширяться и перемещать поршень в крайнее положение. Это сделало машину экономичней: меньше требовалось пара, меньше расходовалось топлива. Примерная схема работы машины Уатта представлена в Приложении, рис 5.

Сегодня один из самых распространенных тепловых двигателей — двигатель внутреннего сгорания (ДВС) . Его устанавливают на автомобили, корабли, тракторы, моторные лодки и т.д., во всем мире насчитываются сотни миллионов таких двигателей.

3. Физическая основа тепловых двигателей

Совершение механической работы в современных машинах и механизмах в основном происходит за счет внутренней энергии веществ.

Тепловой двигатель – устройство, преобразующее внутреннюю энергию топлива в механическую энергию

Невозможно представить себе современную цивилизацию без тепловых двигателей.

Механическая работа в двигателе совершается при расширении рабочего вещества, перемещающего поршень в цилиндре.

Для цикличной, непрерывной работы двигателя необходимо возвращения поршня в его первоначальное положение, т.е. сжатие рабочего вещества.

Легко сжимаемым веществом является вещество в газообразном состоянии, поэтому в качестве рабочего вещества в тепловых двигателях используется газ или пар.

Работы теплового двигателя состоит из периодически повторяющихся процессов расширения и сжатия газа. Сжатие газа не может быть самопроизвольным, оно происходит только под действием внешней силы, например за счет энергии, запасенной маховиком двигателя при расширении газа.

Полная механическая работа А складывается из работы расширения газа Арасш и работы сжатия газа Асж , совершаемой силами давления газа при его сжатии. Так как при сжатии ΔV

Источник: https://www.bestreferat.ru/referat-221715.html

Тепловые машины

Виды тепловых двигателей

Автор статьи — профессиональный репетитор, автор учебных пособий для подготовки к ЕГЭ Игорь Вячеславович Яковлев

Темы кодификатора ЕГЭ: принципы действия тепловых машин, КПД тепловой машины, тепловые двигатели и охрана окружающей среды

Коротко говоря, тепловые машины преобразуют теплоту в работу или, наоборот, работу в теплоту.
Тепловые машины бывают двух видов — в зависимости от направления протекающих в них процессов.

1. Тепловые двигатели преобразуют теплоту, поступающую от внешнего источника, в механическую работу.

2. Холодильные машины передают тепло от менее нагретого тела к более нагретому за счёт механической работы внешнего источника.

Рассмотрим эти виды тепловых машин более подробно.

Тепловые двигатели

Мы знаем, что совершение над телом работы есть один из способов изменения его внутренней энергии: совершённая работа как бы растворяется в теле, переходя в энергию беспорядочного движения и взаимодействия его частиц.

Рис. 1. Тепловой двигатель

Тепловой двигатель — это устройство, которое, наоборот, извлекает полезную работу из «хаотической» внутренней энергии тела. Изобретение теплового двигателя радикально изменило облик человеческой цивилизации.

Принципиальную схему теплового двигателя можно изобразить следующим образом (рис. 1). Давайте разбираться, что означают элементы данной схемы.

Рабочее тело двигателя — это газ. Он расширяется, двигает поршень и совершает тем самым полезную механическую работу.

Но чтобы заставить газ расширяться, преодолевая внешние силы, нужно нагреть его до температуры, которая существенно выше температуры окружающей среды. Для этого газ приводится в контакт с нагревателем — сгорающим топливом.

В процессе сгорания топлива выделяется значительная энергия, часть которой идёт на нагревание газа. Газ получает от нагревателя количество теплоты . Именно за счёт этого тепла двигатель совершает полезную работу .

Это всё понятно. Что такое холодильник и зачем он нужен?

При однократном расширении газа мы можем использовать поступающее тепло максимально эффективно и целиком превратить его в работу. Для этого надо расширять газ изотермически: первый закон термодинамики, как мы знаем, даёт нам в этом случае .

Но однократное расширение никому не нужно. Двигатель должен работать циклически, обеспечивая периодическую повторяемость движений поршня. Следовательно, по окончании расширения газ нужно сжимать, возвращая его в исходное состояние.

В процессе расширения газ совершает некоторую положительную работу . В процессе сжатия над газом совершается положительная работа (а сам газ совершает отрицательную работу ). В итоге полезная работа газа за цикл: .

Разумеется, должно быть , или (иначе никакого смысла в двигателе нет).

Сжимая газ, мы должны совершить меньшую работу, чем совершил газ при расширении.

Как этого достичь? Ответ: сжимать газ под меньшими давлениями, чем были в ходе расширения. Иными словами, на -диаграмме процесс сжатия должен идти ниже процесса расширения, т. е. цикл должен проходиться по часовой стрелке (рис. 2).

Рис. 2. Цикл теплового двигателя

Например, в цикле на рисунке работа газа при расширении равна площади криволинейной трапеции . Аналогично, работа газа при сжатии равна площади криволинейной трапеции со знаком минус. В результате работа газа за цикл оказывается положительной и равной площади цикла .

Хорошо, но как заставить газ возвращаться в исходное состояние по более низкой кривой, т. е. через состояния с меньшими давлениями? Вспомним, что при данном объёме давление газа тем меньше, чем ниже температура. Стало быть, при сжатии газ должен проходить состояния с меньшими температурами.

Вот именно для этого и нужен холодильник: чтобы охлаждать газ в процессе сжатия.

Холодильником может служить атмосфера (для двигателей внутреннего сгорания) или охлаждающая проточная вода (для паровых турбин). При охлаждении газ отдаёт холодильнику некоторое количество теплоты .

Суммарное количество теплоты, полученное газом за цикл, оказывается равным . Согласно первому закону термодинамики:

где — изменение внутренней энергии газа за цикл. Оно равно нулю: , так как газ вернулся в исходное состояние (а внутренняя энергия, как мы помним, является функцией состояния). В итоге работа газа за цикл получается равна:

(1)

Как видите, : не удаётся полностью превратить в работу поступающее от нагревателя тепло. Часть теплоты приходится отдавать холодильнику — для обеспечения цикличности процесса.

Показателем эффективности превращения энергии сгорающего топлива в механическую работу служит коэффициент полезного действия теплового двигателя.

КПД теплового двигателя — это отношение механической работы к количеству теплоты , поступившему от нагревателя:

С учётом соотношения (1) имеем также

(2)

КПД теплового двигателя, как видим, всегда меньше единицы. Например, КПД паровых турбин приблизительно , а КПД двигателей внутреннего сгорания около .

Холодильные машины

Житейский опыт и физические эксперименты говорят нам о том, что в процессе теплообмена теплота передаётся от более нагретого тела к менее нагретому, но не наоборот. Никогда не наблюдаются процессы, в которых за счёт теплообмена энергия самопроизвольно переходит от холодного тела к горячему, в результате чего холодное тело ещё больше остывало бы, а горячее тело — ещё больше нагревалось.

Рис. 3. Холодильная машина

Ключевое слово здесь — «самопроизвольно». Если использовать внешний источник энергии, то осуществить процесс передачи тепла от холодного тела к горячему оказывается вполне возможным. Это и делают холодильные
машины.

По сравнению с тепловым двигателем процессы в холодильной машине имеют противоположное направление (рис. 3).

Рабочее тело холодильной машины называют также хладагентом. Мы для простоты будем считать его газом, который поглощает теплоту при расширении и отдаёт при сжатии (в реальных холодильных установках хладагент — это летучий раствор с низкой температурой кипения, который забирает теплоту в процессе испарения и отдаёт при конденсации).

Холодильник в холодильной машине — это тело, от которого отводится теплота. Холодильник передаёт рабочему телу (газу) количество теплоты , в результате чего газ расширяется.

В ходе сжатия газ отдаёт теплоту более нагретому телу — нагревателю. Чтобы такая теплопередача осуществлялась, надо сжимать газ при более высоких температурах, чем были при расширении.

Это возможно лишь за счёт работы , совершаемой внешним источником (например, электродвигателем (в реальных холодильных агрегатах электродвигатель создаёт в испарителе низкое давление, в результате чего хладагент вскипает и забирает тепло; наоборот, в конденсаторе электродвигатель создаёт высокое давление, под которым хладагент конденсируется и отдаёт тепло)). Поэтому количество теплоты, передаваемое нагревателю, оказывается больше количества теплоты, забираемого от холодильника, как раз на величину :

Таким образом, на -диаграмме рабочий цикл холодильной машины идёт против часовой стрелки. Площадь цикла — это работа , совершаемая внешним источником (рис. 4).

Рис. 4. Цикл холодильной машины

Основное назначение холодильной машины — охлаждение некоторого резервуара (например, морозильной камеры). В таком случае данный резервуар играет роль холодильника, а нагревателем служит окружающая среда — в неё рассеивается отводимое от резервуара тепло.

Показателем эффективности работы холодильной машины является холодильный коэффициент, равный отношению отведённого от холодильника тепла к работе внешнего источника:

Холодильный коэффициент может быть и больше единицы. В реальных холодильниках он принимает значения приблизительно от 1 до 3.

Имеется ещё одно интересное применение: холодильная машина может работать как тепловой насос. Тогда её назначение — нагревание некоторого резервуара (например, обогрев помещения) за счёт тепла, отводимого от окружающей среды. В данном случае этот резервуар будет нагревателем, а окружающая среда — холодильником.

Показателем эффективности работы теплового насоса служит отопительный коэффициент, равный отношению количества теплоты, переданного обогреваемому резервуару, к работе внешнего источника:

Значения отопительного коэффициента реальных тепловых насосов находятся обычно в диапазоне от 3 до 5.

Тепловая машина Карно

Важными характеристиками тепловой машины являются наибольшее и наименьшее значения температуры рабочего тела в ходе цикла. Эти значения называются соответственно температурой нагревателя и температурой холодильника.

Мы видели, что КПД теплового двигателя строго меньше единицы. Возникает естественный вопрос: каков наибольший возможный КПД теплового двигателя с фиксированными значениями температуры нагревателя и температуры холодильника ?

Пусть, например, максимальная температура рабочего тела двигателя равна , а минимальная — . Каков теоретический предел КПД такого двигателя?

Ответ на поставленный вопрос дал французский физик и инженер Сади Карно в 1824 году.

Он придумал и исследовал замечательную тепловую машину с идеальным газом в качестве рабочего тела. Эта машина работает по циклу Карно, состоящему из двух изотерм и двух адиабат.

Рассмотрим прямой цикл машины Карно, идущий по часовой стрелке (рис. 5). В этом случае машина функционирует как тепловой двигатель.

Рис. 5. Цикл Карно

Изотерма . На участке газ приводится в тепловой контакт с нагревателем температуры и расширяется изотермически. От нагревателя поступает количество теплоты и целиком превращается в работу на этом участке: .

Адиабата . В целях последующего сжатия нужно перевести газ в зону более низких температур. Для этого газ теплоизолируется, а затем расширяется адиабатно на учатке .

При расширении газ совершает положительную работу , и за счёт этого уменьшается его внутренняя энергия: .

Изотерма . Теплоизоляция снимается, газ приводится в тепловой контакт с холодильником температуры . Происходит изотермическое сжатие. Газ отдаёт холодильнику количество теплоты и совершает отрицательную работу .

Адиабата . Этот участок необходим для возврата газа в исходное состояние. В ходе адиабатного сжатия газ совершает отрицательную работу , а изменение внутренней энергии положительно: . Газ нагревается до исходной температуры .

Карно нашёл КПД этого цикла (вычисления, к сожалению, выходят за рамки школьной программы):

(3)

Кроме того, он доказал, что КПД цикла Карно является максимально возможным для всех тепловых двигателей с температурой нагревателя и температурой холодильника .

Так, в приведённом выше примере имеем:

В чём смысл использования именно изотерм и адиабат, а не каких-то других процессов?

Оказывается, изотермические и адиабатные процессы делают машину Карно обратимой. Её можно запустить по обратному циклу (против часовой стрелки) между теми же нагревателем и холодильником, не привлекая другие устройства. В таком случае машина Карно будет функционировать как холодильная машина.

Возможность запуска машины Карно в обоих направлениях играет очень большую роль в термодинамике. Например, данный факт служит звеном доказательства максимальности КПД цикла Карно. Мы ещё вернёмся к этому в следующей статье, посвящённой второму закону термодинамики.

Тепловые двигатели и охрана окружающей среды

Тепловые двигатели наносят серьёзный ущерб окружающей среде. Их повсеместное использование приводит к целому ряду негативных эффектов.

• Рассеяние в атмосферу огромного количества тепловой энергии приводит к повышению температуры на планете. Потепление климата грозит обернуться таянием ледников и катастрофическими бедствиями.

• К потеплению климата ведёт также накопление в атмосфере углекислого газа, который замедляет уход теплового излучения Земли в космос (парниковый эффект).

• Из-за высокой концентрации продуктов сгорания топлива ухудшается экологическая ситуация.

Это — проблемы в масштабе всей цивилизации. Для борьбы с вредными последствиями работы тепловых двигателей следует повышать их КПД, снижать выбросы токсичных веществ, разрабатывать новые виды топлива и экономно расходовать энергию.

Источник: https://ege-study.ru/ru/ege/materialy/fizika/teplovye-mashiny/

Booksm
Добавить комментарий