Тепловые двигатели | Физика
Развитие техники во многом зависит от умения как можно более полно использовать те запасы внутренней энергии, которые содержатся в топливе.
Использовать внутреннюю энергию — значит совершить полезную работу, например переместить поршень, поднять груз и т. д.
Проделаем опыт. Нальем в пробирку немного воды, затем плотно закроем ее пробкой и нагреем воду до кипения. Под давлением образовавшегося пара пробка выскочит и поднимется вверх. Сначала в этом опыте энергия топлива перешла во внутреннюю энергию пара. Затем пар, расширяясь, совершил работу — поднял пробку.
Если мы заменим пробирку прочным металлическим цилиндром, а пробку — плотно пригнанным поршнем, способным двигаться внутри цилиндра, то получим простейший тепловой двигатель.
Тепловым двигателем называют устройство, совершающее работу за счет использования внутренней энергии топлива.
Существуют разные виды тепловых двигателей: паровая машина, двигатель внутреннего сгорания, газовая и паровая турбины, реактивный двигатель.
В каждом из них энергия топлива сначала переходит в энергию газа (или пара), который затем, расширяясь, совершает работу. В процессе совершения этой работы часть внутренней энергии газа превращается в механическую энергию движущихся частей двигателя.
Совершая работу, тепловой двигатель использует лишь некоторую часть той энергии, которая выделяется при сгорании топлива.
Физическая величина, показывающая, какую долю составляет совершаемая двигателем работа от энергии, полученной при сгорании топлива, называется коэффициентом полезного действия теплового двигателя.
КПД теплового двигателя находят по формуле
где Q — количество теплоты, полученное в результате сгорания топлива; А — работа, совершаемая двигателем.
В результате того, что А всегда меньше Q, коэффициент полезного действия любою теплового двигателя оказывается меньше 100 %.
Первые тепловые двигатели были построены в конце XVIII в. Это были паровые машины.
Основной частью паровой машины является цилиндр, внутри которого находится поршень.
Поршень приводится в движение паром, который поступает из парового котла.
Первая универсальная паровая машина была построена английским изобретателем Джеймсом Уаттом. Начиная с 1768 г. на протяжении многих лет он занимался усовершенствованием ее конструкции. При поддержке крупного промышленника Болтона за десять лет в период с 1775 по 1785 г. фирма Уатта построила 66 паровых машин: из них 22 для медных рудников, 17 для металлургических заводов, 7 для водопроводов, 5 для каменноугольных шахт и 2 для текстильных фабрик. За следующее десятилетие той же фирмой было поставлено уже 144 такие машины.
Изобретение паровой машины сыграло огромную роль в переходе к машинному производству. Недаром на памятнике Уатту написано: «Увеличил власть человека над природой».
1. Приведите примеры превращения внутренней энергии пара в механическую энергию тела. 2. Что называют тепловым двигателем? 3. Назовите виды тепловых двигателей. 4. Что называют коэффициентом полезного действия теплового двигателя? 5.
Кто изобрел паровую машину?
Тепловые двигатели. Виды тепловых двигателей
Тепловой двигатель — это аппарат, который совершает работу за счет использования энергии топлива. Машина, работающая на таком двигателе, превращает тепловую энергию в механическую и применяет зависимость расширения вещества от значения температуры.
Первая тепловая машина появилась в Римской империи. Это была турбина внешнего сгорания, работающая на пару. Но из-за низкого развития техники это изобретение не получило развития. На прогресс оно никак не повлияло и вскоре было забыто. Позже в Китае появилось пороховое орудие и пороховая ракета. Это было сравнительно простое устройство. С точки зрения механики пороховая ракета не являлась тепловым двигателем, а с точки зрения физики являлась тепловой машиной. Уже в 17 веке ученые пытались изобрести на основе порохового орудия тепловой двигатель.
Виды тепловых двигателей
Тепловые двигатели внешнего сгорания:
1. Двигатель Стирлинга — это тепловой аппарат, в котором газообразное или жидкое рабочее тело совершает движения в замкнутом пространстве.
Это устройство основано на периодическом охлаждении и нагреве рабочего тела. При этом извлекается энергия, которая возникает при изменении объема рабочего тела. Двигатель Стирлинга может работать от любого источника тепла.
2. Паровые машины. Главный их плюс — это простота и отличные тяговые качества, на которые не влияет скорость работы. При этом можно обходиться без редуктора. Этим паровая машина отличается в лучшую сторону от двигателя внутреннего сгорания, выдающего на малых оборотах недостаточное количество мощности. По этой причине паровую машину удобно использовать в качестве тягового двигателя. Недостатки: низкий КПД, невысокая скорость, постоянный расход воды и топлива, большой вес. Раньше паровые машины были единственным двигателем. Но они требовали много топлива и замерзали зимой. Затем их постепенно вытеснили электродвигатели, ДВС, паровые турбины и газовые, которые обладают компактностью, более высоким КПД, универсальностью и эффективностью.
Тепловые двигатели внутреннего сгорания:
1.
ДВС (расшифровывается как двигатель внутреннего сгорания) — это двигатель, в процессе работы которого, часть сгорающего топлива преобразуется в механическую энергию. Поршневые ДВС различаются по виду топлива (газовые и жидкостные), по рабочему циклу (двух- и четырехтактные), по способу приготовления рабочей смеси (карбюраторные, дизели), по типу преобразования энергии (турбинные, комбинированные, поршневые и реактивные). Первый ДВС был придуман и создан Э. Ленуаром в 1860 году. Рабочий цикл состоит из четырех тактов, по этой причине этот двигатель еще называют четырехтактным. В настоящее время такой двигатель чаще всего встречается на автомобилях.
2. Роторный ДВС. В качестве примера можно привести электрическую тепловую станцию, работающую в базовом и пиковом режимах. Этот вид двигателя относительно прост и может быть создан в любых размерах. Вместо поршней используется ротор, вращающийся в специальной камере. В ней расположены впускные отверстия и выпускные, а также свеча зажигания.
При таком типе конструкции четырехтактный цикл осуществляется без механизма газораспределения. В роторном ДВС можно использовать дешевое топливо. Также он практически не создает вибраций, дешевле и надежнее в производстве, чем поршневые тепловые двигатели.
3. Ракетные и реактивные тепловые двигатели. Суть этих устройств состоит в том, чтобы тяга создавалась не с помощью винта, а посредством отдачи выхлопных газов двигателя. Могут создавать тягу в пространстве без воздуха. Бывают твердотопливные, гибридные и жидкостные).
И последний подвид — это турбовинтовые тепловые двигатели. Создание энергии происходит за счет винта и за счет отдачи газов выхлопных.
Топ 5 типов тепловых двигателей [с диаграммой]
РЕКЛАМА:
Следующие пункты выделяют пять основных типов тепловых двигателей. Типы: 1. Паровой двигатель 2. Поршневой паровой двигатель 3. Двигатель внутреннего сгорания 4. Бензиновый двигатель 5. Дизельный двигатель.
Тип № 1.
Паровой двигатель :
Паровой двигатель преобразует тепловую энергию в механическую.
Тепловая энергия, полученная за счет сжигания угля, используется для преобразования воды в перегретый пар. Двигатель использует его для создания механического движения. Для понимания последовательности действий рассмотрим рис. 26.1. Вода из конденсатора нагнетается в котел, где превращается в перегретый пар.
Этот пар поступает в паровой комод С 1 через отверстие S, который затем поступает в цилиндр через отверстие G 1 или G 2 , где он расширяется против поршня. В первой части рабочего хода он подключается к котлу и давление остается постоянным. Затем впускной клапан V закрывается, и остальную часть рабочего хода пар адиабатически расширяет, вызывая падение давления и температуры пара, а некоторое количество пара конденсируется.
РЕКЛАМА:
На обратном ходе смесь капель воды и пара вытесняется из цилиндра и поступает в конденсатор, где полностью конденсируется в воду. При этом выделяется количество теплоты Q. Затем вода нагнетается в котел питательным насосом, и цикл повторяется, когда отверстия G 1 и G 2 периодически закрываются клапаном V.
Цикл Ренкина :
Рабочий цикл паровой машины известен как цикл Ренкина. Он считается практическим циклом паровой машины и очень близок к идеальному термодинамическому циклу. Он имеет шесть отдельных шагов. Индикаторная диаграмма в цикле Ренкина представлена на рис. 26.2. Исходное состояние рабочей системы обозначено точкой d на рисунке.
Шаг 1:
Мы рассматриваем единицу массы воды, представленную точкой d. Он обратимо и адиабатически сжимается, чтобы достичь в точке a по кривой d → a давления P 2 котла. Точка а находится на той же изотерме при температуре Т 2 котла.
Шаг 2:
Он заключается в обратимом изобарическом нагреве воды от А до А до температуры кипения Т 1 .
РЕКЛАМА:
Шаг 3:
Эта стадия представляет собой изобарическое и изотермическое испарение, когда рабочее тело перемещается из точки А в точку В при одной и той же температуре Т 1 и давление P 2 до насыщенного пара.
Шаг 4:
На индикаторной диаграмме этот шаг обозначен как B → b, когда пар изобарически перегревается до максимальной температуры T.
РЕКЛАМА:
Шаг 5:
Пятая стадия состоит из адиабатического расширения от b до c вдоль bc, когда пар превращается во влажный пар.
Шаг 6:
Конечным этапом цикла является обратимая изобарическая изотермическая конденсация. Он представлен b → c на индикаторной диаграмме, когда пар превращается в воду в начальном состоянии d и цикл завершается.
РЕКЛАМА:
После этого рабочее тело становится готовым к началу следующего рабочего цикла. Видно, что на индикаторной диаграмме участвуют три изотермы при температурах Т 2 , Т 1 и Т, где Т 2 — температура котла, Т 1 — это температура конденсатора, и значение T больше, чем у T 1 .
Работа, выполненная циклом, представлена площадью кровати.
По многим причинам паровая машина не может следовать идеальному циклу Ренкина. Следовательно, КПД реальной паровой машины составляет около 70% от идеального цикла Ренкина.
Эффективность цикла Ренкина :
Эффективность двигателя в цикле Ренкина меньше, чем у идеального двигателя Карно, работающего между теми же двумя температурами. Разница между ними заключается в том, что обратимое адиабатическое сжатие в цикле Карно заменяется необратимым процессом, при котором питательная вода нагревается от Т 2 до Т 1 .
Таким образом, часть теплоты, поглощаемой в цикле Ренкина, поглощается не при постоянной температуре, а в диапазоне температур от T 2 и T 1 , тогда как вся теплота, поглощаемая в цикле Карно, поглощается при постоянной температуре T 1 .
Тип № 2.
Поршневой паровой двигатель :
Механические части поршневой паровой машины показаны на рис.
26.3. Перегретый пар поступает в золотниковую паровую камеру (СК) по паропроводу Р. Дальнейшее его продвижение регулируется боковым клапаном, который перемещается вперед и назад по трем отверстиям, называемым портами. Внешний порт ведет к цилиндру, а центральный и выпускной порт (Е) идет вокруг задней части цилиндра в выхлопную трубу (ЕР).
Когда пар поступает в цилиндр через N, его давление толкает поршень P влево. Затем выхлопной пар выходит через выхлопную трубу по мере движения поршня вперед.
Поршень управляет положением золотника. Когда поршень перемещается примерно на одну треть, клапан скользит и закрывает впускную часть. Затем пар в цилиндре расширяется и толкает поршень перед собой. Он также охлаждается, а теплота превращается в работу. Когда поршень движется в крайнее левое положение, клапан скользит и открывает левую часть.
Затем правая часть соединяется с выхлопом. Пар поступает слева и толкает поршень в противоположном направлении. Цикл повторяется снова и снова, и поршень совершает возвратно-поступательное движение.
Это возвратно-поступательное движение преобразуется во вращательное движение ведущего вала и маховика специальным механическим устройством.
Тип № 3.
Двигатель внутреннего сгорания :
Сгорание топлива в двигателях внутреннего сгорания происходит внутри цилиндра двигателя, как и в котлах паровой машины. Двигатель занимает меньше места и подходит для маломощных целей. Тепловой КПД и скорость двигателя внутреннего сгорания выше, чем у паровой машины.
Принцип:
В двигатель топливо подается в виде пара, который смешивается с воздухом. Эта смесь топлива с воздухом сгорает, создавая большую взрывную силу, возникающую при сгорании топлива, которая приводит в движение поршень. В качестве топлива используется либо газ, такой как угольный газ, либо жидкость, такая как бензин, бензол, спирт и т. д., которые легко испаряются, либо тяжелое масло, такое как дизельное топливо и т. д. Когда топливо испаряется, оно образует взрывоопасную смесь.
с воздухом.
Как правило, двигатели внутреннего сгорания являются четырехтактными двигателями, и им требуется четыре хода поршня для завершения цикла операций внутри цилиндра.
Тип № 4.
Бензиновый двигатель:
Это двигатель внутреннего сгорания. По сути, нет никакой разницы между бензиновым двигателем и любым другим газовым двигателем. Но бензиновый двигатель компактнее и легче. Они обычно используются в автомобилях и самолетах. Это четырехтактный двигатель, который завершает один цикл после автоматического цикла.
Описание:
На рис. 26.4 показана схема бензинового двигателя. Р — поршень из железа. Он может двигаться вверх и вниз в герметичном цилиндре. Над цилиндром находится камера, называемая камерой сгорания, где смесь воздуха и паров бензина воспламеняется электрическими искрами от свечей зажигания, установленных в камере. Затем вход впускного топливопровода и выход дымовых газов через выхлопную трубу регулируются двумя клапанами V 1 и V 9.
0015 2 .
Взрывоопасная смесь паров бензина с воздухом производится в устройстве, называемом карбюратором. Зубчатое колесо C 1 и C 2 правильно открывает и закрывает клапаны. C 1 и C 2 соединены с вращающимся валом, который приводится в движение двигателем. Пары бензина, смешанные с воздухом из карбюратора, поступают в двигатель через впускной патрубок I. При достаточном сжатии поршнем он воспламеняется свечой зажигания. И температура, и давление воздуха увеличиваются до высокого значения, чтобы поршень двигался.
Действие :
Действие бензинового двигателя состоит из четырех тактов в течение полного цикла.
(a) Первый ход (зарядный ход):
Поршень перемещается для всасывания в цилиндр взрывоопасной смеси воздуха и газообразного топлива через впускной клапан, V 1 [Рис. 26.5(а)], который затем открывается. Операцию проводят при давлении несколько выше атмосферного.
(b) Второй ход (ход сжатия):
Поршень совершает обратный ход, двигаясь внутрь и сжимая взрывчатую смесь. Оба клапана V 1 и V 2 [Рис. 26.5 (b)] остаются закрытыми. Поршень сжимает смесь примерно до одной пятой от ее первоначального значения, когда температура достигает 600°C (приблизительно) и давление около 5 атмосфер. В конце хода производятся электрические искры.
(c) Третий ход (рабочий ход):
Сразу после взрыва температура и давление резко возрастают. Фактически температура становится около 2000°C, а давление около 15 атмосфер [Рис. 26.5(с)]. Затем поршень резко выталкивается наружу, подвергая газовую смесь адиабатическому расширению до тех пор, пока не будет достигнут первоначальный объем.
Но при этом давление и температура смеси падают. Этот ход известен как рабочий ход, так как во время такого хода тепловая энергия преобразуется в механическую энергию. В конце этого хода клапан V 2 открывается.
(d) Такт выпуска:
Поршень движется дальше внутрь и вытесняет отработанный газ из клапана V 2 . Во время этой операции клапан V 1 остается закрытым [Рис. 26.5(г)].
Отработанный газ выходит из баллона и выпускного клапана V 2 закрывается. Поршень начинает двигаться наружу, и исходное состояние восстанавливается. Цикл повторяется снова и снова.
Цикл Отто :
Четыре такта бензинового двигателя следуют циклу, называемому циклом Отто. На рис. 26.6 показана индикаторная диаграмма цикла Отто.
(a) На рисунке AB представляет первый такт или зарядный такт. При этом ходе газовая смесь (пары бензина и воздух) поступает в цилиндр при атмосферном давлении. При В температура смеси Т 1 соответствует температуре окружающей среды.
(b) BC на индикаторной диаграмме представляет собой второй такт или такт сжатия. При С температура газовой смеси составляет 600°С, а давление около 5 атмосфер.
В этот момент пар воспламеняется свечой зажигания, и, следовательно, давление и температура смеси быстро увеличиваются, но объем остается прежним. Изменение состояния газа рисуется CD. При D давление около 15 атмосфер, а температура около 2000°С.
(c) Третий ход или рабочий ход обозначается DE. Затем газ адиабатически расширяется и совершает внешнюю работу. В конце хода состояние изображается точкой Е.
(d) В точке E открывается выпускной клапан. Тогда температура рабочего тела равна T 1 , а давление равно атмосферному давлению. Объем остается неизменным. Изменение показано EB.
(e) На индикаторной диаграмме BA представляет четвертый такт или такт выпуска.
Эффективность цикла Отто :
Для расчета эффективности цикла принимаем:
я. Во время такта наддува и во время такта выпуска давление в цилиндре равно атмосферному.
ii. Кривые сжатия и расширения BC и DE являются адиабатическими и подчиняются соотношению PV γ = константа.
III. Удельная теплоемкость газа всегда остается постоянной.
ив. Теплота передается газу при постоянном объеме V 2 при повышении давления за счет взрыва. Тепло отводится также при постоянном объеме V 1 в конце рабочего хода.
Примем, что в точках B, C, D, E индикаторной диаграммы давления и объемы равны P 1 , P 2 , P 3 , P 4 и V 1 , V 2 , В 3 , В 4 соответственно. Соответствующие абсолютные температуры равны T 1 , Т 2 , Т 3 и Т 4 .
Пусть масса рабочего вещества 1 г. В результате сгорания количество теплоты, полученное газом между C и D, равно Q 1 = C V (T 3 – T 2 ) (C V = удельная теплоемкость при постоянном объеме).
Он отбрасывает количество тепла Q 2 между E и B, где Q 2 = C V (T 4 – T 1 ).
Следовательно, тепловой КПД,
Тип № 5.
Дизельный двигатель :
Масляный двигатель, разработанный Рудольфом Дизелем, называется дизельным двигателем. По конструкции аналогичен бензиновому двигателю. Двигатели широко используются в тяжелых грузовиках, автобусах, насосах и заводах.
В этом двигателе поршень оказывает очень высокое давление на окружающий воздух. Свеча зажигания здесь заменена дополнительным клапаном, называемым топливным клапаном, и используется для впрыска жидкого топлива.
На рис. 26.7 дизельного двигателя C представляет собой цилиндр или камеру сгорания двигателя, которая снабжена тремя отверстиями, все из которых снабжены клапанами. Имеются клапан подачи воздуха V 1 , клапан подачи топлива V 2 и клапан выпуска V 3 . Через клапан V 1 пропускается воздух, через второй впрыскивается масло, а через третий выпускается отработавший газ.
Все клапаны управляются рычагами, приводимыми в действие коленчатым валом.
За V 9 находится еще один клапан.0015 2 (не показан), который позволяет топливу поступать в цилиндр. Это известно как пусковой клапан. Сжатый воздух, хранящийся в баллоне, подсоединяется к воздухозаборной трубке, а регулирующий кран, подсоединенный к баллону, контролирует поступление воздуха в баллон.
Топливный кран V 2 изначально остается закрытым, а регулирующий кран накопительной емкости открыт. В результате в цилиндр всасывается сжатый воздух, и двигатель совершает несколько тактов. На нормальной скорости регулирующий кран закрыт, а топливный кран открыт. Затем топливо поступает в цилиндр, и двигатель начинает свою обычную работу.
Действие:
Рабочий дизельный двигатель состоит из четырехтактного двигателя.
(a) Всасывающий шток:
И выпускной, и топливный клапаны закрыты, но клапан подачи воздуха открыт, и поршень движется наружу. При атмосферном давлении всасывается воздух.
(b) Такт сжатия:
Все три клапана остаются закрытыми, поршень движется внутрь, а воздух адиабатически сжимается примерно до 1/17 своего первоначального объема.
В результате сильно повышаются давление и температура.
(c) Рабочий ход:
Воздушный клапан и выпускной клапан закрыты, а топливный клапан открыт в начале хода. Благодаря сжатию в предыдущем такте температура воздуха воспламеняет топливо, как только оно впрыскивается в цилиндр. Горение продолжается до тех пор, пока топливный клапан остается открытым и происходит при постоянном давлении. При сгорании газообразная смесь адиабатически расширяется, выталкивая поршень наружу. В конце такта выпускной клапан открывается, и отработанный газ выходит из цилиндра.
(d) Такт выпуска:
Воздушный клапан и топливный клапан закрыты, при этом выпускной клапан остается открытым, а поршень движется внутрь, он отгоняет отработанный газ через выпускной клапан.
В конце этого хода восстанавливается исходное состояние и цикл повторяется снова и снова.
Дизельный цикл :
На рис. 26.9 показана индикаторная диаграмма дизельного цикла.
(а) На схеме AB представляет собой первый (или такт всасывания), когда в цилиндр всасывается воздух при атмосферном давлении.
(b) Во втором (или такте сжатия) воздух адиабатически сжимается, как показано BC. В конце хода давление около 35 атмосфер, а температура около 1000°С. В это время открывается топливный клапан, и топливо поступает в цилиндр под постоянным давлением, обозначенным CD. При сгорании топлива температура смеси в точке D достигает около 2000°С.
(c) В третьем такте (или рабочем такте) газ адиабатически расширяется, и внешняя работа совершается двигателем, как представлено DE. В конце хода открывается выпускной клапан, и давление падает до B, что теперь почти равно атмосферному давлению.
(d) Четвертый такт (или такт выпуска) обозначается ВА, когда выходит отработавшая газовая смесь.
Эффективность дизельного цикла :
Главная ›› Физика ›› Тепловые машины ›› Типы ›› Типы тепловых машин
Типы тепловых двигателей — двигатель внутреннего сгорания и двигатель внешнего сгорания
Тепловые двигатели можно найти повсюду.
В холодильнике есть тепловой двигатель, который помогает охлаждать продукты. Вы также можете найти тепловые двигатели в своем автомобиле. Они также присутствуют во всех видах кондиционеров. Основное значение тепловой машины состоит в том, чтобы производить механическую энергию с помощью тепловой энергии. Существуют две основные классификации тепловых двигателей, основанные на процессе сгорания. Двумя типами тепловых двигателей являются двигатели внутреннего сгорания и двигатели внешнего сгорания. Прежде чем мы рассмотрим классификацию тепловых двигателей, давайте разберемся, что же такое тепловой двигатель.
Что такое тепловая машина?
Мы знаем, что тепловой двигатель используется для производства механической энергии, используя тепловую энергию в качестве источника. Если быть точным, он использует топливо, такое как бензин или дизельное топливо, и преобразует свою химическую энергию в тепловую путем его сжигания. Затем эта тепловая энергия используется для перемещения механических частей, производя таким образом механическую энергию.
По определению, это считается термодинамической системой.
Рассмотрим систему с тепловым двигателем, как показано на рисунке. Для работы тепловой машины нам нужны три основных компонента. Этими компонентами являются двигатель, который производит работу, источник, который обеспечивает тепловую энергию при более высоких показаниях температуры, и поглотитель, используемый для охлаждения двигателя для защиты двигателя от перегрева. Теперь, когда вы знаете, как работает тепловой двигатель, мы рассмотрим различные типы тепловых двигателей.
1. Двигатель внутреннего сгорания
Как следует из названия, сгорание топлива, обычно называемое сгоранием, происходит внутри системы. Он широко известен как двигатели внутреннего сгорания. Двигатель внутреннего сгорания — это тип теплового двигателя, который использует рабочее топливо, такое как бензин и дизельное топливо, в качестве источника тепловой энергии. Принцип работы заключается в том, что он производит работу за счет сжигания топлива и создания среды высокого давления.