Классификация тепловых двигателей: ᐉ Классификация тепловых двигателей

Содержание

Виды тепловых двигателей

Тепловыми двигателями считают машины, которые совершают работу за счет получаемой теплоты.

К часто используемым тепловым двигателям отнесем:

  • паросиловые станции, паровые поршневые двигатели;
  • двигатели внутреннего сгорания, например, бензиновые двигатели, дизельные двигатели, реактивные двигатели.

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.

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:

  • паровая машина;
  • турбина.

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.

Виды тепловых двигателей — презентация онлайн

Похожие презентации:

Влияния состава и размера зерна аустенита на температуру фазового превращения и физико-механические свойства сплавов

Газовая хроматография

Геофизические исследования скважин

Искусственные алмазы

Трансформаторы тока и напряжения

Транзисторы

Воздушные и кабельные линии электропередач

Создание транспортно-энергетического модуля на основе ядерной энергодвигательной установки мегаваттного класса

Магнитные аномалии

Нанотехнологии

1. Разновидности тепловых двигателей

Выполнила ученица 10ск класса Арутюнян Симона
• Тепловой двигатель — аппарат,
превращающий теплоту в механическую
энергию, используя зависимость объёма
вещества от температуры.
Принцип действия :
• Принцип действия теплового двигателя
основан на свойстве газа или пара при
расширении совершать работу
• В процессе работы теплового двигателя
периодически повторяются расширения и
сжатия газа
• Расширения газа происходят
самопроизвольно,а сжатия под действием
внешней силы

3. Тепловые двигатели внешнего сгорания

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.
Цикл Стирлинга состоит из четырёх фаз и разделён двумя
переходными фазами: нагрев, расширение, переход к источнику
холода, охлаждение, сжатие и переход к источнику тепла. Таким
образом, при переходе от тёплого источника к холодному источнику
происходит расширение и сжатие газа, находящегося в цилиндре.
При этом изменяется давление, за счёт чего можно получить
полезную работу.
• Внешний источник тепла нагревает газ в нижней части
теплообменного цилиндра. Создаваемое давление толкает
рабочий поршень вверх (вытеснительный поршень неплотно
прилегает к стенкам).
• Маховик толкает вытеснительный поршень вниз, тем самым
перемещая разогретый воздух из нижней части в охлаждающую
камеру.
• Воздух остывает и сжимается, рабочий поршень опускается вниз.
• Вытеснительный поршень поднимается вверх, тем самым
перемещая охлаждённый воздух в нижнюю часть. И цикл
повторяется.
В машине Стирлинга движение рабочего поршня сдвинуто на 90°
относительно движения поршня-вытеснителя. В зависимости от знака
этого сдвига машина может быть двигателем или тепловым насосом.
1.
• 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.
• Схема паровой машины тандем: 1 – поршень, 2 –
поршневой шток, 3 – ползун, 4 – шатун, 5 –
кривошип, 6 – движение эксцентрикового
клапана, 7 – маховик, 8 – скользящий клапан, 9 –
центробежный регулятор

5. Тепловые двигатели внутреннего сгорания

• 1. ДВС ( 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.

6. Роторный ДВС- тепловой двигатель, в котором главный подвижный рабочий элемент двигателя — ротор — совершает вращательное

Роторный ДВС- тепловой двигатель, в котором главный подвижный рабочий элемент
двигателя — ротор — совершает вращательное движение.
• Двигатели должны давать на выходе вращательное движение главного вала. Именно
этим роторные ДВС отличаются от наиболее распространенных сегодня поршневых
ДВС, в которых главный подвижный рабочий элемент (поршень) совершает возвратнопоступательные движения. В роторных моторах, где главный рабочий элемент и так
вращается, не требуется дополнительных механизмов для получения вращательного
движения. В поршневых же моторах приходится применять громоздкие и
сложные кривошипно-шатунные механизмы для преобразования возвратнопоступательного движения поршня во вращательное движение коленчатого вала.
Классификация:
• роторные двигатели с неравномерным разнонаправленным (возвратно-вращательным)
движением главного рабочего элемента;
• роторные двигатели с неравномерным однонаправленным (пульсирующевращательным) движением главного рабочего элемента;
• роторные двигатели с простым и равномерным вращательным движением главного
рабочего элемента и с уплотнительными заслонками-лопастями, движущимися в
роторе. Частный случай — с заслонками-лопастями, отклоняющимися на шарнирах на
роторе;
• роторные двигатели с простым и равномерным вращательным движением главного
рабочего элемента и с уплотнительными заслонками, движущимися в корпусе;
• роторные двигатели с простым и равномерным вращательным движением главного
рабочего элемента и с использованием такого же простого вращательного движения
уплотнительных элементов;
• роторные двигатели с простым вращательным движением главного рабочего
элемента, без применения отдельных уплотнительных элементов и спиральной
организацией формы рабочих камер;
• роторные двигатели с планетарным вращательным движением главного рабочего
элемента и без применения отдельных уплотнительных элементов.

7. Ракетные и реактивные тепловые 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.

English     Русский Правила

Тепловые двигатели. Двигатель внутреннего сгорания

Цель:

  1. Рассмотреть применение закона сохранения и превращения энергии в тепловых двигателях.
  2. Познакомиться с историей создания автомобиля и паровоза.
  3. Познакомить учащихся с физическими принципами действия тепловых двигателей на примере ДВС.

1. Подготовка к изучению нового материала:

Жизнь невозможна без использования различных видов энергии.

? Какие виды энергии вы знаете?

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.

Демонстрация: В литературе встречается описание паровой машины английского изобретателя Т. Севери, созданной в 1698 г. и предназначенной для откачивания воды из шахт.

Демонстрация модели Т. Севери:


Рисунок 1.


Рисунок 2.

? Преобразование, какой энергии, в какую мы наблюдаем в данном опыте?

Тепловая энергия преобразуется в механическую работу.

Учитель: Мы рассмотрели модель паровой машины. Паровая машина один из видов тепловых двигателей.

Записывает тему урока: Тепловые двигатели. Двигатель внутреннего сгорания.

? Что такое тепловой двигатель?

2. Изучение нового материала:

1) Тепловым двигателем называют машины, в которых внутренняя энергия топлива превращается в механическую энергию.

? какие виды тепловых двигателей вы знаете?

В процессе совершения 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.

Закрепление:

Огнем дышит,
Полымем пышет (ружье).

? Можно ли считать ружье тепловым двигателем?

При сгорании внутренняя энергия пороха превращается в механическую энергию.

2) Любой двигатель характеризуется величиной КПД.

ή (эта) – КПД,

ή =·100%

где Q – количество теплоты, полученное в результате сгорания топлива, Дж;

А – работа, совершенная двигателем, Дж.

А < Q → КПД < 100%

Характеристики тепловых двигателей.

Двигатели Мощность, кВт КПД, %

ДВС:
карбюраторный;
дизельный.

Турбины:
паровая;
газовая.

Реактивный.


1 – 200
15 – 2200


3•105
12•105

3•107


≈ 25
≈ 35


≈ 30
≈ 27

≈ 80

Закрепление:

  1. Один из учеников при решении получил ответ, что КПД теплового двигателя равен 200%. Правильно ли ученик решил задачу?
  2. КПД теплового двигателя 45%. Что означает это число?
    (45% идет на полезную работу, а 55% тратится впустую на обогрев атмосферы, двигателя и т.д.).

3) Если проследить историю развития тепловых машин, современные машины имеют достаточно высокий КПД.

Заглянем в историю.

Первые тепловые двигатели были построены в конце 18 века – это были тепловые машины.

Сообщение учащихся: «Первые паровые машины. Паровые машины Джеймса Уатта».

Учитель: Пропагандируя использование паровых машин, Джеймс Уатт тем не менее был противником их использования на транспорте. Но прогресс нельзя остановить. В 1770 году Ж. Кюньо построил первую самодвижущуюся тележку …

Сообщение учащихся: «Изобретение автомобиля».

Учитель: Следующий этап в развитии техники был связан с изобретением …

Загадка: Железные избушки держатся друг за дружку. Одна с трубой тянет всех за собой? (Поезд).

Сообщение учащихся: «Изобретение паровоза».

Учитель: В современных тепловозах и автомобилях применяются ДВС. Первый ДВС изобрел француз Э. Ленуар, КПД=3%. Спустя 18 лет немецкий изобретатель Н. Отто создал ДВС, который работал по четырехтактной схеме.

4) ДВС.

? Какой двигатель называют двигателем внутреннего сгорания?

Учитель: Свое название он получил из-за того, что топливо в нем сжигалось не снаружи, а внутри цилиндра двигателя.

Сообщение учащихся: видео зарисовка учащихся – современные ДВС.

Учитель: Теперь познакомимся с устройством и принципом действия ДВС (используя модель или видеофрагмент).

? Из каких основных частей состоит простейший ДВС?
? Как называется каждый такт ДВС?
? Опишите принцип действия четырехтактного ДВС (используя модель)?


Рисунок 3. 

5) Учитель: при использовании тепловых машин остро встает вопрос загрязнения окружающей среды. При сжигании топлива в атмосферу попадает очень много вредных выбросов. К ним можно отнести СО2 , СО, различные виды сернистых соединений, а так соединения тяжелых металлов.

Сообщение учащихся: Практическая работа по определению уровня загрязнения в районе школы.

Учитель: Большую часть механической и электрической энергии вырабатывают тепловые двигатели. Пока равноценной замены им нет. В то же время тепловые двигатели оказывают отрицательное влияние на окружающую среду и условия существования человека на Земле.

Что бы вы предложили для решения проблемы загрязнения окружающей среды тепловыми двигателями?

3. Домашнее задание.

Написать сочинение «Тепловые двигатели будущего».

4. Подведение итогов урока.

Виды тепловых двигателей

Двигатель внутреннего сгорания

Двигатель внутреннего сгорания  — двигатель, в котором топливо сгорает непосредственно в рабочей камере двигателя. ДВС преобразует тепловую энергию от сгорания топлива в механическую работу . Гайнуллин Ильнур

Изобретатель

  • Этьен Ленуар — французский изобретатель бельгийского происхождения, изобретатель двигателя внутреннего сгорания.
  • Родился:  12 января 1822 г., Люксембург.
  • Умер:  4 августа 1900 г., Франция.

Внешний вид. КПД.

  •   Мощность составляла 8,8 кВт (11,97 л. с.). Двигатель представлял собой одноцилиндровую горизонтальную машину двойного действия, работавшую на смеси воздуха и светильного газа с электрическим искровым зажиганием от постороннего источника. КПД двигателя не превышал 4,65 %. Несмотря на недостатки, двигатель Ленуара получил некоторое распространение. Использовался как лодочный двигатель.

Топливо

  • По началу ДВС работал на смеси воздуха и светильного газа с электрическим искровым зажиганием от постороннего источника. Однако это обстоятельство сильно суживало область применения первых ДВС.
  • Поэтому не прекращались поиски нового горючего для двигателя внутреннего сгорания. Некоторые изобретатели пытались применить в качестве газа пары жидкого топлива. Ещё в 1872 году американец Брайтон пытался использовать в этом качестве керосин. Однако керосин плохо испарялся, и Брайтон перешёл к более лёгкому нефтепродукту — бензину.

Преимущества и недостатки

  • Преимущества : 1. Высокая дальность передвижения на одной заправке; 2. Малый вес и объем топливного бака. Недостатки : 1. Низкий средний КПД во время эксплуатации; 2. Высокое загрязнение окружающей среды; 3. Обязательное наличие КПП; 4. Отсутствие режима рекуперации (пере-использования) энергии; 5. Работа ДВС подавляющую часть времени с недогрузом

Дизельный двигатель

  • Рудо́льф Кристиа́н Карл Ди́зель (нем. Rúdolf Chrístian Karl Diésel; 18 марта 1858, Париж — 29 сентября 1913, Ла-Манш) — немецкий инженер и изобретатель, создатель дизельного двигателя (1897).

Внешний вид двигателя

  • Ди́зельный дви́гатель — поршневой двигатель внутреннего сгорания, работающий по принципу самовоспламенения распылённого топлива от воздействия разогретого при сжатии воздуха.
  • Спектр топлива для дизельных двигателей весьма широк, сюда включаются все фракции нефтеперегонки от керосина до мазута и ряд продуктов природного происхождения — рапсовое масло, фритюрный жир, пальмовое масло и многие другие. Дизельный двигатель может с определённым успехом работать и на сырой нефти.
  • На первый взгляд дизельный двигатель почти не отличается от обычного бензинового — те же цилиндры, поршни, шатуны. Главные и принципиальные отличия заключаются в способе образования и воспламенения топливо-воздушной смеси. В карбюраторных и обычных инжекторных двигателях приготовление смеси происходит не в цилиндре, а во впускном тракте. В бензиновых двигателях с непосредственным впрыском смесь образуется так же как и в дизелях- непосредственно в цилиндре. В бензиновом моторе топливо-воздушная смесь в цилиндре воспламеняется в нужный момент от искрового разряда. В дизеле же топливо воспламеняется не от искры, а вследствие высокой температуры воздуха в цилиндре .

Коэффициент полезного действия.

  • Современные дизельные двигатели обычно имеют коэффициент полезного действия до 40-45 %, некоторые малооборотные крупные двигатели — свыше 50 %
  • Дизельный двигатель из-за особенностей рабочего процесса не предъявляет жёстких требований к испаряемости топлива, что позволяет использовать в нём низкосортные тяжелые масла. А чем тяжелее топливо и чем выше содержание атомов углерода в его молекулах, тем выше его теплотворная способность (калорийность), тем выше эффективность двигателя.

Преимущества и недостатки

  • 1.Одним из существенных недостатков дизеля является его низкая морозоустойчивость. К сожалению, дизтопливо при низких температурах густеет, и потому завести машину практически невозможно. 2.Ремонт дизельного двигателя по стоимости мог бы быть равноценен ремонту бензинового двигателя, но если из строя выйдет ТНВД, то это обернётся более серьёзными суммами. А вывести из строя ТНВД может некачественная солярка.
  • 1.Главное преимущество дизельного двигателя – конечно в его мощной тяговитости. Автотранспорт с дизелем в большинстве своём применяется для перевозки грузов. 2.Вторым плюсом дизеля является его экономичность.Стоимость литра дизельного топлива намного дешевле литра бензина. Его дешевизна объясняется тем что дизтопливо – это по сути,отходы производства бензина.

Дизель вреден ли для человека?

  • Согласно результатам исследований, пары дизельного топлива способны вызывать образование в легких раковых клеток. Вдыхание воздуха, наполненного парами дизтоплива, по своему вредоносному влиянию сопоставимо с пассивным курением. И теперь борцы за экологию и чистый воздух обвиняют правительства в целенаправленном усугублении проблем европейцев со здоровьем путем популяризации автомобилей, работающих на дизельном топливе.

Самый быстрый автомобиль на дизельном топливе.

  • 23 августа 2006 года на просторах высохшего озера Бонневиль (Bonneville) прототип JCB Dieselmax под управлением пилота Энди Грина установил новый мировой рекорд скорости для дизельных автомобилей — 563,418 км/ч. Предыдущий рекорд был поставлен в 1973 году и составлял 379,4 км/ч.

Самый большой/мощный дизельный двигатель

  • Судовой, 14 цилиндровый — Wärtsilä-Sulzer RTA96-C, созданный финской компанией Wärtsilä в 2002 году, для установки на крупные морские контейнеровозы и танкеры, является самым большим дизелем в мире.
  • Конфигурация — 14 цилиндров в ряд
  • Рабочий объём — 25 480 литров
  • Среднее эффективное давление — 1,96 МПа (19,2 кгс/см²)
  • Мощность — 108 920 л. с. при 102 об./мин. (отдача с литра 4,3 л. с.)
  • Расход топлива — 13 724 литров в час
  • Сухая масса — 2300 тонн
  • Габариты — длина 27 метров, высота 13 метров

Реактивный двигатель

  • Год создания 10 ноября 1935 года

Создатель реактивного двигателя

  • Создатель первого реактивного двигателя Ганс фон Охайн — немецкий инженер-конструктор и изобретатель. Участвовал в разработке первого турбореактивного самолета и немецкого турбореактивного авиационного двигателя.

Внешний вид

Реактивный двигатель

состоит из

компрессора,

турбины, сопло,

смесителя, камеры

сгорания,

вентилятора

Принцип работы

  • В начале турбины стоит вентилятор, который засасывает воздух из внешней среды в турбины. Вентилятор обладает большой площадью и огромным количеством  лопастей специальной формы, сделанных из титана. Основных задач две – забор воздуха и охлаждение всего двигателя в целом, путем прокачивание воздуха между внешней оболочкой двигателя и внутренними деталями. Это охлаждает камеры смешивания и сгорания и не дает им разрушится.
  • Сразу за вентилятором стоит мощный компрессор, который нагнетает воздух под большим давлением в камеру сгорания.
  • Камера сгорания выполняет еще и роль карбюратора, смешивая топливо с воздухом. После образования топливо воздушной смеси она поджигается. В процессе возгорания происходит значительный разогрев смеси и окружающих деталей, а также объемное расширение. Фактически реактивный двигатель использует для движения управляемый взрыв.

Принцип работы

  • Камера сгорания реактивного двигателя одна из самых горячих его частей  – её необходимо постоянно интенсивное охлаждение. Но и этого недостаточно. Температура  в ней достигает 2700 градусов, поэтому её часто делают из керамики.
  • После камеры сгорания горящая топливо-воздушная смесь направляется непосредственно в турбину.
  • Турбина  состоит из сотен лопаток, на которые давит реактивный поток, приводя турбину во вращение. Турбина в свою очередь вращает вал, на котором “сидят” вентилятор и компрессор. Таким образом система замыкается и требует лишь подвода топлива и воздуха для своего функционирования.
  • После турбины поток направляется в сопло. Сопло реактивного двигателя – последняя, но далеко не по значению часть реактивного двигателя. Оно формирует непосредственно реактивную струю. В сопло направляется холодный воздух, нагнетаемый вентилятором для охлаждения внутренних деталей двигателя. Этот поток ограничивает манжету сопла от сверхгорячего реактивного потока и дает ей расплавится.

Преимущества и недостатки

1)Проще по

4) Основным

конструкции, чем

недостатком является

остальные двигатели.

очень большая трата

2)Дешевле остальных

топлива

двигателей .

3) Нет требования

иметь источник

постоянного тока

Прочее

КПД ( Реактивного двигателя )-30%

Топливом чаще всего используют —

керосин .

Двигатели будущего

  • Ионный двигатель
  • Электромобиль
  • «Чистые» двигатели

Ионный двигатель

  • Ионный двигатель  — тип  электрического ракетного двигателя , принцип работы которого основан на создании реактивной тяги на базе  ионизированного   газа , разогнанного до высоких скоростей в  электрическом поле . Технические характеристики ионного двигателя: потребляемая мощность 1—7 кВт, скорость истечения ионов 20—50 км/с, тяга 20—250 мН, КПД 60—80 %, время непрерывной работы более трёх лет. Рабочим телом, как правило, является ионизированный  инертный газ  ( аргонксенон  и т. п.), но иногда и  ртуть . Достоинством этого типа двигателей является малый расход топлива и продолжительное время функционирования (максимальный срок непрерывной работы самых современных образцов ионных двигателей составляет более трёх лет). Недостатком ионного двигателя является ничтожная по сравнению с  химическими двигателями   тяга . По сравнению с двигателями с  ускорением в магнитном слое  ионный двигатель обладает большим энергопотреблением при равном уровне тяги. Ионные двигатели используют повышенные напряжения, обладают более сложной схемой и конструкцией, что усложняет решение задачи обеспечения высокой надёжности и электрической прочности двигателя.

Ионный двигатель

Сфера применения: управление ориентацией и положением на орбите  искусственных спутников Земли  (некоторые спутники оснащены десятками маломощных ионных двигателей) и использование в качестве главного тягового двигателя небольших автоматических  космических станций .

Ионному двигателю в настоящее время принадлежит рекорд  негравитационного ускорения  космического аппарата в космосе —  Deep Space 1  смог увеличить скорость аппарата массой около 370 кг на 4,3 км/с, израсходовав 74 кг ксенона. Этот рекорд был побит космическим аппаратом  Dawn : впервые — 5 июня 2010 года, а к сентябрю 2016 года набрана скорость уже в 39900 км/ч (11,1 км/с)

Электромобиль

  • Электромобиль  —  автомобиль , приводимый в движение одним или несколькими  электродвигателями  с питанием от автономного источника электроэнергии ( аккумуляторовтопливных элементов  и т. п.), а не  двигателем внутреннего сгорания . Электромобиль следует отличать от автомобилей с двигателем внутреннего сгорания и  электрической передачей , а также от  троллейбусов  и  трамваев .

Электромобиль

Электромобили отличаются низкими транспортными расходами.   Ford Ranger  потребляет 0,25  кВт·ч  на один  километр  пути,  Toyota RAV4 EV  — 0,19 кВт·ч на  километр . Средний годовой пробег автомобиля в  США  составляет 19200 км (т. е. 52 км в день). При стоимости электроэнергии в  США  от 5 до 20 центов за кВт·ч стоимость годового пробега Ford Ranger составляет от $240 до $1050, RAV-4 — от $180 до $970.

В  России  стоимость  электроэнергии  — порядка 12 центов (3,8 руб) за кВт·ч по дневному тарифу и около 3 центов (0,95 руб) за кВт·ч ночью . Таким образом, транспортные расходы электромобиля в России будут несколько ниже, чем в  США , поскольку заряжаться он будет, скорее всего, ночью. КПД   тягового электродвигателя  составляет 88—95 %.

Существует мнение,что низкий уровень  шума  электромобилей может создавать проблемы — пешеходы, переходя дорогу, зачастую ориентируются на звук автомобиля. Разумеется, резкий шум работающего мощного  электродвигателя  трудно с чем-то спутать, шум электроприводов  троллейбуса  (в основном, воздушных компрессоров и

вентиляторов в старых моделях), механических передач (дифференциал и карданная передача), электрокара, поезда  метро  широко известен, так что электромобилюнеобходимо обычное для транспорта шумоподавление.

Да и шум современного автомобиля на небольшой скорости очень мал, в основном, это шум трения колёс об асфальт, гравий или другое покрытие..

Солнечная батарея

Солнечная батарея — несколько объединённых фотоэлектрических преобразователей ( фотоэлементов ) —  полупроводниковых  устройств, прямо преобразующих солнечную энергию в постоянный электрический ток, в отличие от  солнечных коллекторов , производящих нагрев материала- теплоносителя

Солнечные батареи: плюсы и минусы

  • Самый первый плюс — это  неиссякаемость и вседоступность источника энергии .
  • Второе достоинство солнечных батарей — это их  экологичность .
  • Третий плюс солнечных батарей- это независимость
  • Самый первый недостаток —  необходимость первоначальных больших инвестиций ость батарей от топлива
  • Низкий уровень КПД . Один квадратный метр солнечной батареи средней производительности выдаёт всего лишь около 120 Вт мощности. КПД в таком случае равен 14-15%

дизельных и карбираторных — доклад

Наша сегодняшняя встреча посвящена тепловым двигателям. Именно они приводят в движение большинство видов транспорта, позволяют получать электроэнергию, несущую нам тепло, свет и комфорт. Как устроены и каков принцип действия тепловых машин?

Понятие и виды тепловых двигателей

Тепловые двигатели — устройства, обеспечивающие превращение химической энергии топлива в механическую работу.

Осуществляется это следующим образом: расширяющийся газ давит либо на поршень, вызывая его перемещение, либо на лопасти турбины, сообщая ей вращение.

Взаимодействие газа (пара) с поршнем имеет место в паровых машинах, карбюраторных и дизельных двигателях (ДВС).

Примером действия газа, создающим вращение является работа авиационных турбореактивный двигателей.

Структурная схема работы теплового двигателя

Несмотря на отличия в их конструкции, все тепловые машины имеют нагреватель, рабочее вещество (газ или пар) и холодильник.

В нагревателе происходит сгорание топлива, в результате чего выделяется количество теплоты Q1, а сам нагреватель при этом нагревается до температуры T1. Рабочее вещество, расширяясь, совершает работу A.

Но теплота Q1 не может полностью превратится в работу. Определенная ее часть Q2 через теплопередачу от нагревшегося корпуса, выделяется в окружающую среду, условно называемую холодильником с температурой T2.

О паровых двигателях

Хронология этого изобретения ведёт свой отсчёт от эпохи Архимеда, придумавшего пушку, стрелявшую с помощью пара. Затем следует череда славных имён, предлагавших свои проекты. Наиболее эффективный вариант устройства принадлежит русскому изобретателю Ивану Ползунову. В отличие от своих предшественников он предложил непрерывный ход рабочего вала за счёт использования попеременной работы 2-х цилиндров.

Сгорание топлива и образование пара у паровых машин происходит вне рабочей камеры. Поэтому их называют двигателями внешнего сгорания.

По такому же принципу образуется рабочее тело в паровых и газовых турбинах. Их далеким прообразом явился шар, вращаемый паром. Автором этого механизма был учёный Герон, творивший свои машины и приборы, в древней Александрии.

О двигателях внутреннего сгорания

В конце XIX века немецким конструктором Августом Отто была предложена конструкция ДВС с карбюратором, где приготавливается топливовоздушная смесь.

Остановимся более подробно на его работе. Каждый цикл работы состоит из 4-х тактов: впуска, сжатия, рабочего хода и выпуска.

Во время первого такта горючая смесь впрыскивается в цилиндр и сжимается поршнем. Когда компрессия достигает максимума, срабатывает система электроподжига (искра от свечи). В результате этого микровзрыва температура в камере сгорания достигает 16 000 — 18 000 градусов. Образующиеся газы давят на поршень, толкают его, проворачивая соединенный с поршнем коленчатый вал. Это и есть рабочий ход, приводящий автомобиль в движение.

А охладившиеся газы через выпускной клапан выбрасываются в атмосферу. Пытаясь улучшить эффективность работы устройства, разработчики увеличивали степень сжатия горючей смеси, но тогда она самовоспламенялась «досрочно».

Немецкий инженер Дизель нашел интересный выход из этого затруднения…

В цилиндрах дизеля за счёт движения поршня сжимается чистый воздух. Это позволило в несколько раз увеличить степень сжатия. Температура в камере сгорания достигает 900 град. В конце такта сжатия туда впрыскивается солярка. Её мелкие капли, смешавшись со столь разогретым воздухом, самовоспламеняются. Образующиеся газы, расширяясь, давят на поршень, осуществляя рабочий ход.

Итак, дизельные двигатели отличаются от карбюраторных:

  • По роду используемого топлива. Карбюраторные двигатели — бензиновые. Дизельные — потребляют исключительно солярку.
  • Дизель на 15–20 % экономичнее карбюраторных двигателей за счёт большей степени сжатия, но его обслуживание дороже, чем у его соперника — бензинового двигателя.
  • В числе минусов дизеля — в холодные российские зимы солярка загустевает, нужен её подогрев.
  • Последние исследования американских учёных показали, что выбросы от дизельных двигателей по составу менее вредны, чем от их бензиновых аналогов.

Многолетняя конкуренция между двумя видами ДВС завершилась распределением сферы их использования. Дизельные двигатели как более мощные устанавливаются на морском транспорте, на тракторах и автомобилях большой грузоподъёмности, а карбюраторные — на автомобили малой и средней грузоподъемности, на моторные лодки, мотоциклы и т. д.

Коэффициент полезного действия (КПД)

Эффективность эксплуатации любого механизма определяется его КПД. Паровой двигатель, выпускающий отработанный пар в атмосферу, имеет весьма низкий КПД от 1 до 8%, бензиновые двигатели до 30%, обычный дизельный двигатель до 40%. Безусловно, во все времена инженерная мысль не останавливалась и искала пути повышения КПД.

Талантливый французский инженер Сади Карно разработал теорию работы идеального теплового двигателя.

Его рассуждения были следующими: чтобы обеспечить повторяемость циклов, необходимо, чтобы расширение рабочего вещества при нагревании сменялось его сжатием до первоначального состояния. Этот процесс может совершаться только за счёт работы внешних сил. Причём работа этих сил должна быть меньше полезной работы самого рабочего тела. Для этого следует понизить его давление путём охлаждения в холодильнике. Тогда график всего цикла будет иметь вид замкнутого контура, он то и стал называться циклом Карно. Максимальный КПД идеального двигателя вычисляется по формуле:

Где η сам коэффициент полезного действия, T1 и T2 абсолютные температуры нагревателя и холодильника. Они вычисляются по формуле T= t+273, где t температура по Цельсию. Из формулы видно, что для увеличения КПД необходимо увеличить температуру нагревателя, что ограничено жаропрочностью материала, или понизить температуру холодильника. Максимальный КПД будет при Т= 0К, что также технически неосуществимо.

Реальный коэффициент всегда меньше КПД идеального теплового двигателя. Сравнивая реальный коэффициент с идеальным, можно определить резервы для совершенствования имеющегося двигателя.

Работая в этом направлении, конструкторы снабдили бензиновые двигатели последнего поколения инжекторными системами подачи топлива (впрыскивателями). Это позволяет с помощью электроники добиться его полного сгорания и соответственно увеличить КПД.

Изыскиваются пути уменьшения трения соприкасающихся деталей двигателя, а также улучшения качества используемого топлива.

Прежде природа угрожала человеку, а теперь человек угрожает природе

Со следствиями неразумной деятельности человека приходится сталкиваться уже нынешнему поколению. И значительный вклад в нарушение хрупкого равновесия природы вносит огромный объём тепловых двигателей, используемых на транспорте, в сельском хозяйстве, а также паровых турбин электростанций.

Это вредное воздействие проявляется в колоссальных выбросах и повышении содержания углекислого газа в атмосфере. Процесс сгорания топлива сопровождается потреблением атмосферного кислорода в таких масштабах, что это превышает его выработку всей земной растительностью.

Значительная часть тепла от двигателей рассеивается в окружающей среде. Этот процесс, усугубляемый парниковым эффектом, приводит к повышению среднегодовой температуры на Земле. А глобальное потепление чревато катастрофическими последствиями для всей цивилизации.

Чтобы ситуация не усугублялась, необходима эффективная очистка, отработанных газов, переход на новые экологические стандарты, предъявляющие более жёсткие требования к содержанию вредных веществ в выхлопных газах.

Очень важно использовать только качественное топливо. Хорошие перспективы ожидаются от использования в качестве горючего водорода, поскольку при его сгорании вместо вредных выбросов образуется вода.

В недалеком будущем значительная часть автомобилей, работающих на бензине, будет заменена электромобилями.

Только общими усилиями мы можем сохранить этот удивительный мир, которым природа одарила нашу планету.

Автор: Драчёва Светлана Семёновна


Если это сообщение тебе пригодилось, буда рада видеть тебя в группе ВКонтакте. А ещё — спасибо, если ты нажмёшь на одну из кнопочек «лайков»:


Тепловые двигатели. Термодинамические циклы. Цикл Карно

Устройство, имеющее способность преобразовывать полученную теплоту в механическую работу носит название теплового двигателя. В таких машинах механическая работа совершается в процессе расширения вещества, называющегося рабочим телом. Его роль обычно исполняют газообразные вещества, вроде паров бензина, воздуха и водяного пара.

Определение 1

Рабочее тело приобретает или отдает тепловую энергию при теплообмене с телами, которые имеют внушительный запас внутренней энергии. Такие тела называют тепловыми резервуарами.

Исходя из первого закона термодинамики, можно сделать вывод, что полученное газом количество теплоты Q полностью преобразуется в работу A в условиях изотермического процесса, при котором внутренняя энергия не претерпевает изменений (ΔU=0): 

A=Q

Однако, подобный однократный акт превращения теплоты в работу для техники не представляет интереса. Существующие тепловые двигатели, такие как паровые машины, двигатели внутреннего сгорания и им подобные, работают циклически. Необходимо периодическое повторение процесса теплопередачи и преобразования полученной теплоты в работу. Чтобы данное условие выполнялось, рабочее тело должно совершать круговой процесс или же термодинамический цикл, при котором исходное состояние с периодически восстанавливается. На рисунке 3.11.1 в виде диаграммы (p, V) газообразного рабочего тела с помощью замкнутых кривых проиллюстрированы круговые. В условиях расширения газ производит положительную работу A1, эквивалентную площади под кривой abc. При сжатии газ совершает отрицательную работу A2, равную по модулю площади под кривой cda. Полная работа за цикл A=A1+A2 на диаграмме (p, V) равняется площади цикла. Работа A положительна, в том случае, если цикл проходит по часовой стрелке, и A отрицательна, когда цикл проходит в противоположном направлении.

Рисунок 3.11.1. Круговой процесс на диаграмме (p, V). abc – кривая расширения, cda – кривая сжатия. Работа A в круговом процессе равна площади фигуры abcd.

Все круговые процессы обладают общей чертой. Они не могут привестись в действие при контакте рабочего тела только с одним тепловым. Их минимальное число должно быть равным двум.

Определение 2

Тепловой резервуар, обладающий более высоким значением температуры, носит название нагревателя, а с более низким – холодильника.

Рабочее тело при совершении кругового процесса получает от нагревателя некоторую теплоту Q1>0 и теряет, отдавая холодильнику, количество теплоты Q2<0. Для полного полученного рабочим телом за цикл количества теплоты Q справедливо следующее выражение:

Q=Q1+Q2=Q1-Q2.

Совершая цикл, рабочее тело приходит в свое первоначальное состояние, из чего можно сделать вывод, что изменение его внутренней энергии равняется ΔU=0. Основываясь на первом законе термодинамики, запишем: 

∆U=Q-A=0.

Из этого следует: 

A=Q=Q1-Q2.

Работа A, которую рабочее тело совершает за цикл, эквивалентна полученному за этот же цикл количеству теплоты Q.

Определение 3

Коэффициентом полезного действия или же КПД η теплового двигателя называют отношение работы A к полученному рабочим телом за цикл от нагревателя количеству теплоты Q1, то есть:

η=AQ1=Q1-Q2Q1.

Рисунок 3.11.2. Модель термодинамических циклов.

Коэффициент полезного действия теплового двигателя демонстрирует, какая доля тепловой энергии, которую получило рабочее тело от нагревателя, преобразовалась в полезную работу. Оставшаяся часть (1–η) была без пользы передана холодильнику. Коэффициент полезного действия тепловой машины не может быть больше единицы η<1. На рисунке 3.11.3 проиллюстрирована энергетическая схема тепловой машины.

Рисунок 3.11.3. Энергетическая схема тепловой машины: 1 – нагреватель; 2 – холодильник; 3 – рабочее тело, совершающее круговой процесс. Q1>0, A>0, Q2<0; T1>T2.

Виды тепловых двигателей

В технике свое применение находят двигатели, использующие круговые процессы. Рисунок 3.11.3 демонстрирует нам циклы, применяемые в бензиновом карбюраторном и в дизельном двигателях. Они оба в качестве рабочего тела используют смесь паров бензина или дизельного топлива с воздухом. Цикл карбюраторного двигателя внутреннего сгорания включает в себя две изохоры (1–2, 3–4) и две адиабаты (2–3, 4–1), дизельного двигателя -две адиабаты (1–2, 3–4), одну изобару (2–3) и одну изохору (4–1). Реальный КПД (коэффициент полезного действия) у карбюраторного двигателя составляет около 30 %, у дизельного двигателя – приблизительно 40 %.

Рисунок 3.11.4. Циклы карбюраторного двигателя внутреннего сгорания (1) и дизельного двигателя (2).

Цикл Карно

Круговой процесс, изображенный на рисунке 3.11.5, состоящий из двух изотерм и двух адиабат был назван циклом Карно в честь открывшего его в 1824 году французского инженера. Данное явление впоследствии оказало колоссальное влияние на развитие учения о тепловых процессах.

Рисунок 3.11.5. Цикл Карно.

Находящийся в цилиндре, под поршнем, газ совершает цикл Карно. На участке изотермы (1–2) он приводится в тепловой контакт с нагревателем, обладающим некоторой температурой T1. Газ изотермически расширяется, при этом к нему подводится эквивалентное совершенной работе A12количество теплоты Q1=A12. После этого на участке адиабаты (2–3) газ помещается в адиабатическую оболочку и продолжает процесс расширения при отсутствующем теплообмене. На данной части цикла газ совершает работу A23>0. Его температура при адиабатическом расширении снижается до величины T2. На идущем следующим участке изотермы (3–4) газ приводится в тепловой контакт с холодильником в условиях температуры T2<T1. Производится процесс изотермического сжатия. Газом совершается некоторая работа A34<0 и отдается тепло Q2<0, эквивалентное произведенной им работе A34. Его внутренняя энергия не претерпевает изменений. На последнем оставшемся участке адиабатического сжатия газ снова помещают в адиабатическую оболочку. При сжатии его температура вырастает до величины T1, также совершается работа A41<0. совершаемая газом за цикл полная работа A эквивалентна сумме работ на отдельных участках: 

A=A12+A23+A34+A41.

На диаграмме (p, V) данная работа равняется площади цикла.

Процессы на любом из участков цикла Карно квазистатичны. Например, оба участка 1–2 и 3–4, относящихся к изотермическим, производятся при пренебрежительно малой разности температур рабочего тела, то есть газа, и теплового резервуара, будь то нагреватель или холодильник.

Исходя из первого закона термодинамики, можно заявить, что работа газа в условиях адиабатического расширения или сжатия эквивалентна падению значения ΔU его внутренней энергии. Для 1 моля газа верно следующее выражение:

A=-∆U=-CV(T2-T1),

в котором T1 и T2 представляют собой начальную и конечную температуры рабочего тела.

Из этого следует, что работы, совершаемые газом на двух адиабатических участках цикла Карно, противоположны по знакам и одинаковы по модулю:

A23=-A41.

Коэффициент полезного действия η цикла Карно может рассчитываться с помощью следующих соотношений: 

η=AQ1=A12+A34Q12=Q1-Q2Q1=1-Q2Q1.

С. Карно выразил коэффициент полезного действия цикла через величины температур холодильника T2и нагревателя T1: 

η=T1-T2T1=1-T2T1.

Цикл Карно примечателен тем, что ни на одном из его участков тела, обладающие различными температурами, не соприкасаются. Любое состояние рабочего тела в цикле является квазиравновесным, что означает его бесконечную близость к состоянию теплового равновесия с окружающими объектами, то есть тепловыми резервуарами или же термостатами. В цикле Карно исключен теплообмен в условиях конечной разности температур рабочего тела и окружающей среды (термостатов), если тепло имеет возможность переходить без совершения работы. По этой причине любые другие возможные круговые процессы проигрывают ему в эффективности при заданных температурах нагревателя и холодильника: 

ηКарно=ηmax

Рисунок 3. 11.6. Модель цикла Карно.

Каждый участок цикла Карно и цикл в целом могут проходиться в обоих направлениях.

Определение 4

Обход цикла по часовой стрелке соответствует тепловому двигателю, в котором полученное рабочим телом тепло частично преобразуется в полезную работу. Обход против часовой стрелки соответствует холодильной машине, где некое количество теплоты отходит от холодного резервуара и передается горячему резервуару за счет совершения внешней работы. Именно поэтому идеальное устройство, работающее по циклу Карно, носит название обратимой тепловой машины.

В реально существующих холодильных машинах применяются разные циклические процессы. Любой холодильный цикл на диаграмме (p, V) обходятся против часовой стрелки. На рисунке 3.11.7 проиллюстрирована энергетическая схема холодильной машины.

Рисунок 3.11.7. Энергетическая схема холодильной машины. Q1<0, A>0, Q2 > 0, T1>T2.

Работающее по холодильному циклу устройство может обладать двояким предназначением.

Определение 5

Если полезным эффектом является отбор некоторого количества тепла Q2 от охлаждаемых тел, к примеру, от продуктов в камере холодильника, то такое устройство является обычным холодильником.

Эффективность работы холодильника может быть охарактеризована следующим отношением: 

βx=Q2A.

Таким образом, эффективность работы холодильника представляет собой количество тепла, отбираемого от охлаждаемых тел на 1 джоуль затраченной работы. В условиях подобного определения βх может быть, как больше, так и меньше единицы. Для обращенного цикла Карно справедливо выражение:

βx=T2T1-T2.

Определение 6

В случае, когда полезным эффектом является передача некоего количества тепла
|Q1| нагреваемым телам, чьим примером может выступать воздух в помещении, то такое устройство называется тепловым насосом.

Эффективность βТ теплового насоса может быть определена с помощью отношения: 

βт=Q1A.

То есть она может определяться количеством теплоты, передаваемым более теплым телам на 1 джоуль затраченной работы. Из первого закона термодинамики следует: 

Q1>A.

Следовательно, βТ всегда больше единицы. Для обращенного цикла Карно справедливо следующее выражение:

βт=1η=T1T1-T2.

Решение задач от 1 дня / от 150 р. Курсовая работа от 5 дней / от 1800 р. Реферат от 1 дня / от 700 р.

Какие существуют типы тепловых двигателей? Классификация и характеристики

Тепловые двигатели классифицируются в соответствии со следующими характеристиками:

  • Где происходит сгорание: внешнее сгорание или внутреннее сгорание.
  • Используемое топливо и тип зажигания: Отто или дизель.
  • Тип движения подвижных элементов: альтернативный или вращательный.
  • Тип цикла: 2-тактные циклы, 4-тактные циклы.
  • Количество цилиндров: одноцилиндровые или полицилиндрические.
  • Расположение цилиндров: рядные цилиндры, V-образные цилиндры, оппозитные горизонтальные цилиндры.

Что такое экзотермические и эндотермические двигатели?

В зависимости от места, где происходит горение, мы различаем два типа: экзотермическое или внешнее горение и эндотермическое или внутреннее горение.

В экзотермических двигателях сгорание происходит вне машины (паровой двигатель). Эти типы машин не используются в автомобильной промышленности.

В эндотермических двигателях процесс сгорания происходит в помещении. Это те, которые используются в самоходных транспортных средствах (автомобили, грузовики, лодки …).

Типы двигателей в зависимости от используемого топлива и типа зажигания

В зависимости от используемого топлива и типа зажигания различают следующие типы тепловых двигателей:

  • Двигатели Отто. В качестве топлива они используют бензин. Зажигание происходит от искры.
  • Дизельные двигатели. В качестве топлива они используют дизель. Зажигание происходит от сжатия.

Взрывные двигатели (Otto) также можно назвать искровым зажиганием. Для работы двигателей этого типа обычно используют смесь воздуха и бензина, которая воспламеняется за счет электрической искры, создаваемой системой зажигания. Двигатели Otto выдерживают умеренное давление, благодаря которому они достигают большого числа оборотов: они достигают максимальной мощности при скорости от 5 500 до 7 000 оборотов в минуту.

Дизель также называется воспламенением от сжатия. Для работы они используют тяжелое топливо, предпочтительно дизельное. Горение начинается с воспламенения дизельного топлива, впрыскиваемого в мелкодисперсном виде под высоким давлением в сильно сжатый воздух и при высокой температуре. Компоненты дизельного двигателя должны быть прочными и тяжелыми, чтобы выдерживать высокое давление, при котором они работают. Это приводит к ограничению максимальных рабочих оборотов в минуту.

Существует два типа в зависимости от оборотов в минуту, которые они могут достигать:

  • Быстрые дизели: Быстрые дизели имеют скорость около 5000 оборотов в минуту. Они устанавливаются на легковые автомобили и легкий коммерческий транспорт.
  • Малые дизели: Малые дизели вращаются приблизительно между 900 и 2000 оборотов в минуту, с рабочим объемом, который может достигать 2000 куб.см. Они устанавливаются на грузовые автомобили, автобусы, локомотивы, корабли и тяжелую технику.

Что такое поршневые и роторные двигатели?

Объемные двигатели – это двигатели, в которых подвижные элементы посредством движения генерируют переменные объемы в диапазоне от максимального до минимального значения. В соответствии с этим определением мы можем разделить двигатели на два типа:

  • Альтернативы: Поршень движется через цилиндр с альтернативным прямолинейным движением, которое становится вращательным через кривошипно-шатунный механизм. Этот тип двигателя практически всегда используется в автомобильной промышленности.
  • Роторный: также называется двигателем Ванкеля. Вращательное движение создается непосредственно в поршне треугольного сечения, который вращается внутри корпуса, образуя 3 камеры. Он работает, следуя четырехтактному циклу Отто. Он не имеет клапанов, поэтому впуск и выпуск осуществляется через вентиляционные отверстия. Его использование в автомобильной промышленности очень ограничено.

Каковы возможные циклы тепловых двигателей?

Это важная классификация тепловых двигателей. По способу выполнения цикла различают:

  • 4-тактные циклы
  • 2-тактные циклы

Четырехтактные двигатели выполняют четырехтактный рабочий цикл — впуск, сжатие, взрыв-расширение и выпуск — за четыре хода поршня, за два полных оборота коленчатого вала. Газообмен регулируется клапанами, открывающими и закрывающими впускные и выпускные каналы. Они могут быть дизельными или взрывными.

В двухтактных двигателях рабочий цикл четырехтактного двигателя осуществляется за два хода поршня и, следовательно, за один оборот коленчатого вала. Это оправдывает то, что этот тип обеспечивает большую мощность, чем четырехтактный двигатель с таким же рабочим объемом. Газообмен осуществляется через вентиляционные отверстия, управляемые поршнем во время движения, что отрицательно влияет на производительность и затрудняет контроль загрязнения. Это могут быть двигатели Otto, которыми оснащаются мотоциклы малого объема, или дизельные двигатели большого объема, используемые для приведения в движение водных транспортных средств и промышленного оборудования.

Типы тепловых двигателей по цилиндрам

В зависимости от количества цилиндров тепловые двигатели различают одноцилиндровые и многоцилиндровые.

  • Одноцилиндровый: Это тепловые двигатели, которые имеют только один цилиндр.
  • Полицилиндровые: Эти типы двигателей имеют более одного цилиндра. Почти все автомобили, за исключением мотоциклов, полицилиндровые.

В отношении цилиндров двигатели также можно классифицировать по расположению этих цилиндров. Таким образом, можно выделить следующие типы:

  • Цилиндры в ряд
  • V-образные цилиндры
  • Противоположные горизонтальные цилиндры

Цилиндровые двигатели в ряд : В одном блоке цилиндры расположены один за другим: Такое расположение используется в двигателях с 2-6 цилиндрами и до 8 в дизеле.

Двигатели с V-образными цилиндрами : Они состоят из двойного V-образного блока, образующего между собой угол 60 или 90°. В этом типе на одно колено коленчатого вала работают два поршня, по одному от каждого блока.

Вариантом этого типа является двойной V  (W). Это обозначение применяется к двигателям с более чем двумя рядами цилиндров, имеющими один общий коленчатый вал. Таким образом получаются двигатели W8, W10, W12 и W16 с очень компактными размерами, очень сбалансированной работой и очень низким уровнем вибрации.

Двигатели с противоположным горизонтальным расположением цилиндров : Цилиндры расположены в виде двух блоков, соединенных горизонтально основанием с общим коленчатым валом. Высота этого двигателя значительно уменьшена. Они могут быть 2-х, 4-х или 6-ти цилиндровыми.

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.
Паровая машина :

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 паровую камеру C 1 через отверстие S, которое 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 насосом питательной воды, 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 для создания большой взрывной силы, возникающей 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, например 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 в патрубок подачи топлива и выход дымовых газов по выхлопной трубе регулируются двумя клапанами, V 1 и V 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 составляет 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 , что совпадает с температурой 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 увеличении 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 воздуха 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.0123 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 остается изначально 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°C. 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

Тепловые двигатели: термодинамика, уравнения и типы

В какой-то момент своей жизни вы, вероятно, путешествовали внутри автомобиля, самолета или паровоза. Вы, возможно, задавались вопросом, какой процесс заставляет эти транспортные средства двигаться. Ответ тепловая машина .

Эта статья о тепловых двигателях немного выходит за рамки того, что вы должны знать на уровне GCSE, но она будет очень полезна для вашего понимания термодинамики и ее применения в реальной жизни. В термодинамике , тепловой машиной называется система, преобразующая поток тепловой энергии (теплота) в механическую работу .

Тепловые двигатели в термодинамике

Теплота есть передача тепловой энергии от выше до ниже температуры. В тепловых двигателях это достигается за счет теплового потока от горячего резервуара к холодному резервуару . Бензиновые двигатели, дизельные двигатели, реактивные двигатели и паровые турбины — все это примеры тепловых двигателей.

Тепловой поток между горячим резервуаром и холодным резервуаром, адаптировано из изображения Майка Рана CC-BY-SA-4. 0

Невероятно, но первая зарегистрированная тепловая машина была изобретена Героном Александрийским в 50 г. н.э., но считалась всего лишь новинкой или игрушка в то время. Только во время промышленной революции тепловые двигатели превратились в полезные устройства. 9Паровая машина 0093 стала полезной в 18 веке и быстро стала использоваться в качестве источника энергии. В конце 19 века последовал двигатель внутреннего сгорания , который во многих отношениях был усовершенствованием парового двигателя. Без тепловой машины многие удобства и технологии нашего современного мира были бы невозможны.

Типы тепловых двигателей

Тепловые двигатели можно разделить на два типа. Первым является двигатель внешнего сгорания 9.0094, где сгорание топлива передает тепло внешней жидкости, которая затем производит полезную работу своим движением при расширении. Примером этого является паровая машина. Здесь источник топлива, такой как уголь или древесина, сжигается для нагрева воды (внешней жидкости) в котле. Это производит пар, который затем может выполнять полезную механическую работу для питания двигателя.

В двигателе внутреннего сгорания сгорание топлива происходит внутри системы. Двигатели внутреннего сгорания, как правило, более эффективны, чем двигатели внешнего сгорания, поскольку они непосредственно преобразуют тепловую энергию топлива в механическую работу. Например, тепловой двигатель в автомобиле воспламеняет бензин или дизельное топливо с помощью свечи зажигания, чтобы произвести полезную механическую работу.

Примеры тепловых двигателей

В этом разделе мы обсудим некоторые примеры реального применения теплового двигателя, от древней античности до современности, как для двигателей внутреннего, так и для двигателей внешнего сгорания.

Двигатель внешнего сгорания

Чтобы понять основы работы тепловой машины, было бы неплохо начать с самого начала и взглянуть на первую паровую машину Герона Александрийского. Цапля назвала его эолипилом 9.0614 или ветряной шар. Схема была проста: он поставил котел с водой (который служил резервуаром для горячей воды) над огнем. Вода вскоре превратилась в пар при нагревании. Затем пар поднимался по двум трубам в полую сферу наверху, откуда пар выходил через два изогнутых сопла на сфере. Выброшенный пар создавал тягу, как ракета, заставляя сферу вращаться. Вся внешняя среда в данном случае действовала как резервуар холода, в который текло тепло.

Тепловая машина Герона, заставляющая сферу вращаться, commons.wikimedia.org

Паровые локомотивы устарели благодаря электричеству и двигателю внутреннего сгорания. Например, паровозы теперь относятся к культурному транспорту или достопримечательностям. Однако пар по-прежнему широко используется в промышленных масштабах для производства электроэнергии. Вода нагревается от источника тепла в котле (горячем резервуаре), который превращает воду в пар, который затем используется для вращения турбины по мере ее подъема. Это пример тепловой машины, в которой тепловая энергия преобразуется в механическую работу. Затем вращающаяся турбина приводит в действие электрический генератор, который вырабатывает электричество для наших нужд.

Схема типичной паровой турбины, используемой для выработки электроэнергии, commons.wikimedia.org

Затем пар снова охлаждается до воды внутри конденсатора (холодного резервуара) после приведения в действие турбины. Это выгодно по двум причинам. Во-первых, чем больше разница температур между горячим и холодным резервуарами (котлом и конденсатором), тем быстрее будет течь тепло между ними. Это означает, что пар будет двигаться быстрее и, следовательно, быстрее будет вращать турбину, производя больше электроэнергии. Во-вторых, конденсируя пар обратно в воду, мы можем повторно использовать эту воду для котла. Оба эти момента значительно повышают эффективность тепловой машины.

Геотермальные электростанции работают аналогично угольным электростанциям. Однако, хотя геотермальная электростанция является тепловым двигателем, она не является ни двигателем внутреннего, ни внешнего сгорания, потому что горячие геотермальные жидкости, используемые для нагрева котла, поступают непосредственно из земли, а не за счет сжигания топлива.

Двигатель внутреннего сгорания

Давайте обсудим двигатель внутреннего сгорания, с которым вы, вероятно, лучше всего знакомы, бензиновый автомобиль. Двигатель внутреннего сгорания внутри автомобиля сжигает бензин непосредственно в камере сгорания (горячем резервуаре). Затем часть энергии сгорания преобразуется в полезную работу. Большинство бензиновых двигателей являются четырехтактными, а это означает, что для завершения полного цикла двигателя требуется четыре хода поршня.

Четырехтактный цикл двигателя внутреннего сгорания, commons.wikimedia.org

Сначала, во время такта впуска, открывается впускной клапан, чтобы топливо и воздух из топливного бака поступали в рабочий цилиндр. Следующим шагом в этом процессе является такт сжатия. Оба клапана закрываются, чтобы удерживать топливовоздушную смесь внутри, а поршень движется вверх, чтобы сжать смесь до небольшого объема. Затем, во время такта зажигания, электрическая искра от свечи зажигания воспламеняет топливо, заставляя его быстро расширяться и толкая поршень обратно вниз. Наконец, во время такта выпуска открывается выпускной клапан, который позволяет выйти расширенным газам от сгорания, а затем цикл повторяется снова.

Расширение и выхлоп смесей внутри камеры сгорания заставляют поршни двигаться вверх и вниз. Движение этих поршней, прикрепленных к поршневым штокам, приводит во вращение коленчатый вал. В конечном счете, система зубчатых передач в трансмиссии автомобиля будет приводить в движение колеса автомобиля, вызывая движение.

Есть еще такая штука как реверс тепловая машина. Вместо того, чтобы использовать тепловую энергию для производства полезной работы, обратные тепловые двигатели используют механическую работу для изменения направления потока тепла. Механическая работа обычно исходит от внешнего источника энергии, такого как национальная сеть. Кондиционеры и холодильники являются типичными примерами реверсивных тепловых двигателей. Представьте, что ваш холодильник внутри — это резервуар для холода. Реверсивная тепловая машина вытесняет тепло из холодильника с помощью насоса (механическая работа).

Уравнение теплового двигателя

Энергия и топливо являются ценными ресурсами в нашем современном мире, и мы должны найти способы максимально сократить потребление энергии. Когда происходит передача энергии между накопителями энергии (например, тепловая энергия в кинетическую в тепловом двигателе), не вся произведенная энергия преобразуется в полезную энергию. Когда энергия передается в нежелательное хранилище, это называется пустой тратой энергии.

Эффективность системы определяется следующим уравнением:

Используя принципы термодинамики, тепловые двигатели были разработаны таким образом, чтобы производить как можно меньше потерь энергии. Различные тепловые двигатели имеют разный КПД в зависимости от ряда факторов, таких как их тип, конструкция, источник топлива и т. д. Энергия теряется из-за нежелательного звука, производимого двигателем, трения между движущимися частями и отходящего тепла. , которые не конвертируются в полезную работу.

Например, для повышения эффективности и уменьшения трения между движущимися частями двигателя инженеры и механики добавляют смазку. Кроме того, теплоизоляция может использоваться для уменьшения потерь тепловой энергии двигателя в окружающую среду.

Эффективность тепловой машины, адаптировано из изображения Гая Вандегрифта CC BY-SA 4.0

Тепловая эффективность тепловой машины определяется по формуле:

Двигатели внутреннего сгорания почти всегда более эффективны, чем двигатели внешнего сгорания. В общем, сжигание топлива непосредственно в механической работе является более эффективным процессом, потому что двигатели внешнего сгорания имеют дополнительный этап передачи энергии, что всегда приводит к большей неэффективности.

Существует предел потенциальной эффективности любой тепловой машины. Теорема Карно утверждает, что даже идеальный двигатель без трения не может преобразовать почти 100% произведенного тепла в полезную работу. Факторами, ограничивающими эффективность, являются температуры, при которых тепло поступает в двигатель, и температура окружающей среды, в которой двигатель выбрасывает отработанное тепло.

Тепловая машина совершает работу 6,3 кДж. 19,9 кДж энергии теряется в окружающей среде. Каков КПД этой тепловой машины в процентах?

Полная энергия, произведенная двигателем, равна сумме выполненной работы и энергии, потерянной в окружающей среде.

Двигатель внутреннего сгорания имеет КПД 42%. При сгорании 1 л дизельного топлива вырабатывается 38 МДж энергии. Какую полезную работу совершает 1 л топлива?

Измените уравнение эффективности, чтобы сделать полезной работу, выполняемую двигателем.

Переставить в:

Не забудьте преобразовать процентную эффективность обратно в десятичную форму.

Тепловые двигатели – основные выводы

  • В термодинамике тепловой двигатель преобразует поток тепловой энергии (тепло) в полезную механическую работу.
  • Тепловые потоки в тепловом двигателе из-за разницы температур между горячим и холодным резервуаром.
  • В двигателях внешнего сгорания жидкость в горячем резервуаре нагревается от внешнего источника топлива. Затем движение нагретой жидкости можно использовать для производства полезной работы. Примером этого является паровая машина.
  • В двигателях внутреннего сгорания сгорание топлива происходит непосредственно внутри горячего резервуара. Они непосредственно преобразуют тепловую энергию сгорания в полезную работу. Примеры этого включают бензиновый или дизельный двигатель.
  • В некоторых тепловых двигателях внешняя среда может выступать в качестве резервуара холода.
  • Чем больше разница температур между горячим и холодным резервуарами, тем быстрее будет течь тепло между ними, в конечном итоге производя больше полезной механической работы.
  • Двигатели внутреннего сгорания, как правило, более эффективны, чем двигатели внешнего сгорания, поскольку двигатели внешнего сгорания имеют дополнительную ступень передачи энергии.
  • Тип тепловой машины, конструкция, источник топлива и ряд других факторов влияют на ее эффективность.
  • Энергия теряется из-за нежелательных звуков, отходящего тепла и трения между движущимися частями тепловой машины.

Тепловой двигатель — Javatpoint

следующий → ← предыдущая

Мы знаем, что теплота — это форма энергии, и система может получать энергию либо за счет выделения тепла, либо за счет некоторой механической работы. Двигатель – это машина, предназначенная для преобразования одного вида энергии в другой. Таким образом, тепловой двигатель — это двигатель, который отбирает у тела некоторую тепловую энергию при более высокой температуре, часть этой энергии преобразует в механическую работу и отдает ее телу при более низкой температуре.

Диаграмма, представляющая основную деятельность тепловой машины, показана ниже:

Можно также сказать, что концепция тепловой машины основана на первом законе термодинамики . Согласно закону, системе может быть сообщено количество энергии либо за счет теплоты, либо за счет механической работы.

Основным преимуществом тепловых двигателей является то, что они могут использовать различные процессы, такие как потребление и трение для преобразования различных форм энергии в тепловую энергию.

Здесь мы обсудим эффективность тепловая машина, типы из тепловые машины, и примеры из тепловые машины .

КПД тепловой машины

Предположим, что количество теплоты от высокотемпературного тела равно Q1, работа, совершаемая W, и теплота, отданная системой низкотемпературному телу, равна Q2. Система не наблюдает никаких изменений, если конечное состояние системы такое же, как и ее начальное состояние. Согласно первому закону термодинамики, мы можем записать уравнение как:

Вт = Q1 — Q2

КПД = работа, совершаемая двигателем/тепло, подведенное к нему

= Вт/кв1

= Q1 — Q2/Q1

= 1 — Q2/Q1

Давайте теперь обсудим типы и примеры тепловых двигателей.

Типы тепловых двигателей

Типы тепловых двигателей классифицируются как:

  1. Двигатель внутреннего сгорания
  2. Двигатель внешнего сгорания

Давайте обсудим это подробно.

Двигатель внутреннего сгорания

Сгорание относится к сжиганию топлива. Когда топливо сгорает внутри системы, это называется двигателем внутреннего сгорания. В качестве источника тепловой энергии обычно используется бензин или дизель . Двигатель внутреннего сгорания производит работу, сжигая топливо, создавая среду высокого давления. Произведенная работа далее используется для запуска турбины/поршня, который преобразует тепловую энергию топлива в механическую энергию.

Поршень в тепловом двигателе движется вверх и вниз, и одно движение поршня в любом направлении известно как 9.0093 ход . Большинство транспортных средств бывают двухтактными или четырехтактными, а четырехтактные двухколесные или четырехколесные транспортные средства называются : впуск, сжатие, сгорание, и , такт выпуска .

Двумя распространенными типами двигателей внутреннего сгорания являются бензиновые двигатели и дизельные двигатели.

Преимущества

Преимущества двигателя внутреннего сгорания следующие:

  • Низкая начальная стоимость
  • Компактный размер
  • Повышенная эффективность
  • Высокое соотношение мощности и веса
  • Меньше времени запуска
  • Безопасная эксплуатация

Недостатки

Недостатки двигателя внутреннего сгорания следующие:

  • Дорогостоящее топливо (бензин, дизельное топливо или любое другое ископаемое топливо)
  • Не подходит для крупномасштабного производства электроэнергии.
  • Высокие выбросы двигателя
  • Требует тщательного ухода.

Двигатель внешнего сгорания

Сгорание относится к сжиганию топлива. Когда топливо сгорает вне системы, это называется двигателем внешнего сгорания. Двигатель внешнего сгорания производит работу за счет сжигания топлива, которое далее передается вторичной жидкости. Такая рабочая жидкость размещается внутри системы. Такая жидкость воздействует на механизм двигателя внутреннего сгорания и производит работу.

Жидкость после использования не выбрасывается, а перерабатывается и используется повторно.

Источником тепла как для двигателя внешнего сгорания, так и для двигателя внутреннего сгорания является сгорание .

Типичным примером двигателя внешнего сгорания является паровая машина.

Преимущества

Преимущества двигателя внешнего сгорания следующие:

  • Можно использовать любой вид топлива
  • Подходит для работы в высокогорных районах.
  • Низкий уровень выбросов двигателя, более управляемый и эффективный по сравнению с двигателем внутреннего сгорания.

Недостатки

Недостатки двигателя внешнего сгорания следующие:

  • Размер двигателя сравнительно большой.
  • Не рекомендуется при низкой нагрузке.
  • Для передачи энергии требуется больше компонентов, таких как котел. Таким образом, он становится тяжелым.

Примеры тепловых двигателей

  1. Двигатель Карно
  2. Паровой двигатель
  3. Испарительные тепловые двигатели
  4. Бензиновый двигатель
  5. Дизельный двигатель

Давайте обсудим небольшое описание выше перечисленных примеров тепловой машины.

Двигатель Карно

Двигатель

Карно — теоретический двигатель. Работа двигателя Карно основана на цикле Карно, состоящем из четырех состояний. Состояния названы как обратимое изотермическое расширение, обратимое адиабатическое расширение, обратимое изотермическое сжатие и изоэнтропическое сжатие . Эти стадии описывают процессы превращения теплоты в работу. Карно также утверждает, что двигателю требуется горячее тело, которое действует как источник энергии для двигателя и передает эту энергию холодному телу для выполнения некоторой механической работы. Концепция теплообмена основана на втором законе термодинамики.

Паровой двигатель

Как следует из названия, паровой двигатель получает энергию от пара. Таким образом, паровая машина представляет собой тепловую машину, забирающую теплоту пара (парообразная форма жидкости) и преобразующая часть ее в механическую энергию. Вырабатываемая энергия используется для движения поршня, который в дальнейшем используется для запуска различных объектов, таких как поезд.

КПД паровых двигателей колеблется примерно от 3 % до 10 %, что меньше, чем у других двигателей. Но паровые турбины сегодня широко используются для производства энергии из-за их высокой эффективности. Следовательно, расширение пара в таких турбинах происходит непрерывно.

Сегодня паровые двигатели бывают разных типов, но концепция производства энергии остается неизменной.

Испарительные тепловые двигатели

Испарительная тепловая машина работает при пониженном давлении за счет испарительного охлаждения сухого воздуха. Помимо производства энергии в жарком засушливом климате, испарительный тепловой двигатель также может использоваться в качестве испарительного охладителя. Он также может хорошо работать на отработанном тепле промышленных предприятий. Преимущество испарительного теплового двигателя заключается в том, что он лучше всего работает в жарком и сухом климате.

Бензиновый двигатель

Бензиновый двигатель

также известен как двигатель Отто , потому что он был разработан Николаусом Августом Отто, немецким инженером. Смесь бензина и воздуха вводится в главный цилиндр, изготовленный из стали. В таких двигателях свеча зажигания размещается в главном цилиндре и производит электрические искры, и эти искры сжигают бензино-воздушную смесь.

Дизельный двигатель

В дизельном двигателе в качестве топлива используется дизельное топливо, и его конструкция и работа аналогичны бензиновому двигателю. Топливо легко воспламеняется из-за высоких температур, что приводит к движению поршня с большей силой. Таким образом, получается большое количество механической энергии.

Часто задаваемые вопросы

Давайте обсудим некоторые часто задаваемые вопросы.

Вопрос 1: Какая экологически чистая альтернатива маслам, используемым в тепловом двигателе, недавно была предложена?

Решение : Батареи

Для экономии масла в различных двигателях в качестве экологически чистой альтернативы рекомендуются аккумуляторы. Он также хранит энергию и действует как резервная копия, когда нет электричества.

Вопрос 2: КПД тепловых двигателей составляет 100 %?

Решение : Ни одна система не эффективна на 100 %. Из-за некоторых практических ограничений КПД тепловых двигателей колеблется от 30 до 50 %.

Вопрос 3: В чем основное различие между теплом и температурой?

Решение : Температура определяет среднюю кинетическую энергию и измеряется в градусах Кельвина, Цельсия и Фаренгейта. Теплота описывает передачу тепловой энергии между молекулами в системе, а также измеряет поток энергии.

Вопрос 4: Когда тепло течет быстрее всего?

Решение : Тепло быстрее всего переходит от более горячего вещества к более холодному, и это означает, что тепло переходит от тела с более высокой температурой к телу с более низкой температурой.


Next Topic Излучение черного тела

← предыдущая следующий →

Как работают тепловые двигатели?

Как работают тепловые двигатели? — Объясните этот материал

Вы здесь: Домашняя страница > Инжиниринг > Двигатели

  • Дом
  • индекс А-Я
  • Случайная статья
  • Хронология
  • Учебное пособие
  • О нас
  • Конфиденциальность и файлы cookie

Реклама

В наш век топливных элементов и электромобили, паровозы (и даже автомобили с бензиновым двигателем) может показаться ужасно старой технологией. Но взгляните на историю шире, и вы увидите, что даже древнейшие паровой двигатель действительно очень современное изобретение. Люди были используя инструменты, чтобы увеличить свою мышечную силу примерно в 2,5 раза миллионов лет, но только за последние 300 лет мы усовершенствовали искусство создания «мускулов» — машин с двигателем, — которые работают все сами по себе. Скажем иначе: люди были без двигатели более 99,9 процента нашего существования на Земле!

Теперь у нас есть двигатели, без которых, конечно, не обойтись их. Кто мог представить себе жизнь без автомобилей, грузовиков, кораблей или самолеты — все они приводились в движение мощными двигателями. И двигателей нет просто перемещают нас по миру, они помогают нам радикально изменить его. От мостов и туннелей до небоскребов и плотины, практически каждое крупное здание и сооружение, построенное людьми. в последние пару столетий был построен с помощью двигателей — кранов, экскаваторов, самосвалов и бульдозеров. их. Двигатели также подпитывают современную сельскохозяйственную революцию: значительная часть всех наших еда теперь собирается или транспортируется с использованием мощности двигателя. Двигатели не заставляют мир двигаться круглые, но они участвуют практически во всем остальном, что происходит на нашей планете. Рассмотрим подробнее, что они из себя представляют и как Работа!

Работа: Основная концепция тепловой машины: машина, которая преобразует тепловую энергию в работу, перемещаясь туда и обратно между высокой температурой и более низкой. Типичный тепловой двигатель питается от сжигания топлива (внизу слева) и использует расширяющийся-сжимающийся поршень (вверху в центре) для передачи энергии топлива на вращающееся колесо (внизу справа).

Содержание

  1. Что такое тепловая машина?
  2. Как двигатель приводит машину в движение?
  3. Типы двигателей
    • Двигатели внешнего сгорания
    • Двигатели внутреннего сгорания
  4. Двигатели в теории
    • Цикл Карно
    • Насколько эффективен двигатель?
    • Каков максимальный КПД двигателя?
  5. Узнать больше

Что такое тепловая машина?

Двигатель — это машина, которая вращает энергия, заключенная в топливе, превращается в силу и движение. Уголь — нет очевидное использование кто-нибудь: это грязный, старый, каменный материал, зарытый под землю. Сожги это в однако двигатель, и вы можете высвободить содержащуюся в нем энергию для заводские машины, автомобили, лодки или локомотивы. То же самое справедливо других видов топлива, таких как природный газ, бензин, древесина и торф. С двигатели работают, сжигая топливо для выделения тепла, иногда они позвонил тепловые двигатели . Процесс сжигания топлива включает химическая реакция, называемая горение , при которой топливо сгорает в кислород в воздухе, чтобы сделать углекислый газ и пар. (Как правило, двигатели также загрязняют воздух, потому что топливо не всегда на 100% чистое и не сгорает идеально чисто.)

Всем известно, что тепло может производить движение. В том, что он обладает огромной движущей силой, никто не может сомневаться… »

Николя Сади Карно, 1824 г.

Существуют два основных типа тепловых двигателей: внешнего сгорания и внутреннего сгорания. сгорание:

  • В двигателе внешнего сгорания топливо сгорает снаружи и вдали от основной части двигателя, где сила и движение производятся. Хорошим примером является паровая машина: есть угольный огонь на одном конце, который нагревает воду, чтобы сделать пар. Пар подается в прочный металлический цилиндр , где он перемещает плотно прилегающий плунжер, называемый поршнем туда и обратно. движущийся поршень приводит в действие все, к чему прикреплен двигатель (возможно, заводской станок или колеса паровоза). Это внешний двигатель внутреннего сгорания, потому что уголь горит снаружи и некоторые расстояние от цилиндра и поршня.
  • В двигателе внутреннего сгорания топливо сгорает внутри цилиндр. В типичном автомобильном двигателе, например, есть что-то вроде четырех-шести отдельных цилиндров, внутри которых бензин постоянно горит кислородом с выделением тепловой энергии. цилиндры «зажигаются» поочередно, чтобы гарантировать, что двигатель производит стабильная подача мощности, которая приводит в движение колеса автомобиля.

Двигатели внутреннего сгорания, как правило, гораздо более эффективны, чем двигатели с внешним двигатели внутреннего сгорания, потому что энергия не тратится впустую на передачу тепла от огонь и котел к цилиндру; все происходит в одном месте.

Художественное произведение: В двигателе внешнего сгорания (например, паровом двигателе) топливо сгорает вне цилиндра, и тепло (обычно в виде горячего пара) должно отводиться на некоторое расстояние. В двигателе внутреннего сгорания (например, в автомобильном) топливо сгорает прямо внутри цилиндров, что гораздо эффективнее.

Фото: Паровой двигатель является двигателем внешнего сгорания, потому что уголь горит в топке (там, где стоит машинист) на некотором расстоянии от цилиндра, где вырабатывается фактическая мощность.

Как двигатель приводит машину в движение?

В двигателях используются поршни и цилиндры, поэтому мощность, которую они производят, непрерывный возвратно-поступательный, толкающий и тянущий или возвратно-поступательный движение. Проблема в том, что многие машины (и практически все транспортные средства) полагаются на на колесах, которые вращаются и вращаются, другими словами, поворотный движение. Существуют различные способы поворота возвратно-поступательного движения. движение во вращательное (или наоборот). Если вы когда-нибудь смотрели пыхтя паровой машины, вы, должно быть, заметили, как крутятся колеса. приводимый в движение кривошипом и шатуном: простой рычажно-рычажный механизм, соединяющий одну сторону колеса с поршнем, так что колесо вращается, когда поршень качает вперед и назад.

Альтернативный способ преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное заключается в использовании передач. Это то, что гениальный шотландский инженер Джеймс Уатт (1736–1819 гг.)) решил сделать в 1781 году, когда открыл кривошипно-шатунный механизм, который он Необходимость использовать в своей усовершенствованной конструкции паровой двигатель была, по сути, уже защищен патентом. Конструкция Уатта известна как солнечная и планетарная шестерни ) и состоит из двух или более шестерен колеса, одно из которых (планета) толкается вверх и вниз поршнем стержень, движущийся вокруг другой шестерни (Солнца) и приводящий ее во вращение.


Фото: Два способа преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное: Первое фото: Солнечная и планетарная передача. Когда поршень движется вверх и вниз, шестерни крутятся. Второе фото: На этом токарном станке с ножным приводом просто решена проблема преобразования движения вверх-вниз в круговое. Когда вы нажимаете вверх и вниз на педаль (педаль), вы заставляете струну подниматься и опускаться. Это заставляет вал, к которому прикреплена струна, вращаться со скоростью, приводя в действие токарный станок и сверло или другой инструмент, прикрепленный к нему. Обе фотографии сделаны в Музее науки Think Tank в Бирмингеме, Англия.

Некоторым двигателям и машинам необходимо преобразовать вращательное движение в возвратно-поступательное движение. Для этого вам нужно что-то, что работает в противоположное коленчатому валу, а именно кулачок. Кулачок — это некруглое (обычно яйцевидное) колесо, имеющее что-то вроде бар, опирающийся на него. Когда ось поворачивает колесо, колесо заставляет штангу подниматься и опускаться. Не можете представить это? Попробуйте представить автомобиль, колеса которого яйцевидный. По мере движения колеса (кулачки) вращаются, как обычно, но кузов автомобиля подпрыгивает вверх и вниз одновременно, поэтому вращательное движение производит возвратно-поступательные движения (подпрыгивания) у пассажиров!

Кулачки работают во всех видах машин. Есть камера в электрическая зубная щетка, которая делает щетка двигается вперед и назад, когда электрический двигатель внутри вращается.

Рекламные ссылки

Типы двигателей

Фото: Внешнее сгорание: Эта стационарная паровая машина использовалась для подачи природного газа в дома людей с 1864 года. Фотография сделана в Think Tank.

Существует полдюжины или около того основных типов двигателей, которые вырабатывают мощность за счет сжигания топлива:

Двигатели внешнего сгорания

Лучевые двигатели (атмосферные двигатели)

Первые паровые двигатели были гигантскими машинами, заполнявшими целые здания и они обычно использовались для откачки воды из затопленных шахт. Создан англичанином Томасом Ньюкоменом. (1663/4–1729) в начале 18 века имели одноцилиндровый и поршень, прикрепленный к большой балке, которая качалась вперед и назад. Тяжелая балка обычно была наклонена вниз, так что поршень находился высоко в цилиндре. В цилиндр закачивали пар, затем впрыскивали воду, охлаждая пар, создавая частичный вакуум и заставляя луч наклоняться назад другой путь, прежде чем процесс был повторен. Лучевые двигатели были важным технологическим достижением, но они были слишком большими, медленными и неэффективными, чтобы приводить в действие заводские машины и поезда.

Работа: Как работает атмосферный (лучевой) двигатель (упрощенно). Двигатель состоит из тяжелой балки (серая), установленной на башне (черная), которая может качаться вверх и вниз. Обычно балка наклоняется вниз и вправо под весом прикрепленного к ней насосного оборудования. Водогрейный котел (1) подает пар (2) вверх в цилиндр (3). Когда цилиндр заполнен, из резервуара (4) впрыскивается холодная вода. Это конденсирует пар, создавая более низкое давление в цилиндре. Поскольку атмосферное давление (воздуха) над поршнем выше, чем давление под ним, поршень толкается вниз, вся балка наклоняется влево, а насос тянет вверх, выкачивая воду из шахты (5).

Паровые двигатели

В 1760-х годах Джеймс Уатт значительно усовершенствовал паровой двигатель Ньюкомена, сделав его меньше, эффективнее и мощнее — и эффективно превращает пар двигателей в более практичные и доступные машины. Работа Уатта привела к созданию стационарного пара двигатели, которые можно было бы использовать на заводах, и компактные движущиеся двигатели которые могли бы привести в действие паровозы. Подробнее читайте в нашей статье о паровых двигателях.

Двигатели Стирлинга

Не все двигатели внешнего сгорания большие и неэффективные. Шотландский священник Роберт Стирлинг (179 г.0–1878) изобрел очень умный двигатель с двумя цилиндрами с поршнями, приводящими в действие два кривошипа езда на одном колесе. Один цилиндр постоянно поддерживается горячим (нагревается внешней энергией). источником, который может быть чем угодно, от угольного пожара до геотермальной энергии. подачи), в то время как другой остается постоянно холодным. Двигатель работает по челночный тот же объем газа (постоянно запечатанный внутри двигатель) туда и обратно между цилиндрами через устройство, называемое регенератор , который помогает сохранять энергию и значительно увеличивает экономичность двигателя. Двигатели Стирлинга не обязательно включают сгорание, хотя они всегда питаются от внешнего источника тепла. Узнайте больше в нашей основной статье о двигателях Стирлинга.

Фото: Машинный зал Think Tank (музей науки в Бирмингеме, Англия) представляет собой удивительную коллекцию энергетических машин, датируемых 18 веком. Экспонаты включают огромный паровой двигатель Smethwick, самый старый работающий двигатель в мире. На этом снимке он не показан, в основном потому, что он был слишком большим, чтобы его можно было сфотографировать!

Двигатели внутреннего сгорания

Бензиновые (бензиновые) двигатели

В середине 19 века несколько европейских инженеров, в том числе Француз Жозеф Этьен Ленуар (1822–1819 гг. ).00) и Герман Николаус Отто (1832–1891) усовершенствовали двигатели внутреннего сгорания, которые сжигали бензин. Это был короткий шаг для Карла Бенца (1844–1929). подключить один из этих двигателей к трехколесному карету и сделать первый в мире автомобиль, работающий на газе. Читать далее в нашей статье об автомобильных двигателях.

Фото: Мощный бензиновый двигатель внутреннего сгорания от спортивного автомобиля Jaguar.

Дизельные двигатели

Позднее, в 19 веке, другой немецкий инженер Рудольф Дизель (1858–1919 гг.)13), понял, что может сделать гораздо более мощное внутреннее двигатель внутреннего сгорания, который мог работать на всех видах топлива. В отличие от бензиновых двигателей, дизельные двигатели сжимают топливо намного сильнее. он самопроизвольно воспламеняется и выделяет тепловую энергию заперта внутри него. Сегодня дизельные двигатели по-прежнему являются предпочтительными машинами для вождения. тяжелые транспортные средства, такие как грузовики, корабли и строительные машины, а также многие автомобили. Подробнее читайте в нашей статье о дизельных двигателях.

Роторные двигатели

Одним из недостатков двигателей внутреннего сгорания является то, что они нужны цилиндры, поршни и вращающийся коленчатый вал, чтобы использовать их мощность: цилиндры неподвижны, а поршни и коленчатый вал постоянно перемещаются. Роторный двигатель — это принципиально другая конструкция двигателя внутреннего сгорания, в котором «цилиндры» (которые не всегда цилиндрические форме) вращаются вокруг неподвижного коленчатого вала. Хотя роторные двигатели относятся к 19 веку, возможно, самый известный дизайн — относительно современный Роторный двигатель Ванкеля , особенно используется в некоторых японских автомобилях Mazda. Статья в Википедии о Роторный двигатель Ванкеля хорошее введение с блестящей маленькой анимацией.

Двигатели в теории

Фото: машинист: гениальный Николя Сади Карно, 17 лет.

Пионерами двигателей были инженеры, а не ученые. Ньюкомен и Уатт были практическими, практическими «деятелями», а не головоломными теоретиками. Так продолжалось до тех пор, пока француз Николя Сади Карно (1796–1832) появился в 1824 году — более чем через столетие после того, как Ньюкомен построил свой первый паровой двигатель, — что были предприняты какие-либо попытки понять теорию того, как работают двигатели и как их можно улучшить с истинно научной точки зрения. Карно интересовался тем, как сделать двигатели более эффективными (в Другими словами, как больше энергии можно получить из того же количества топлива). Вместо того, чтобы возиться с настоящим паровым двигателем и пытаться его улучшить Методом проб и ошибок (подобный подход применил Уатт к двигателю Ньюкомена) он сделал себя теоретический движок — на бумаге — и вместо этого поиграл с математикой.

Фото: Паровые двигатели по своей природе неэффективны. Работа Карно говорит нам, что для максимальной эффективности пар в двигателе как это нужно перегреть (так что это выше его обычная температура кипения 100 ° C), а затем ему дают возможность максимально расшириться и остыть в цилиндрах, чтобы он отдавал как можно больше энергии поршням.

Цикл Карно

Тепловая машина Карно представляет собой довольно простую математическую модель того, как в теории мог бы работать наилучший поршневой и цилиндровый двигатель, бесконечно повторяя четыре шага, которые теперь называются Цикл Карно . Мы не будем вдаваться здесь в детальную теорию или математику (если вам интересно, см. Страница цикла НАСА Карно и превосходная страница «Тепловые двигатели: цикл Карно» Майкла Фаулера с превосходной флэш-анимацией).

Базовый двигатель Карно состоит из газа, заключенного в цилиндр с поршнем. Газ получает энергию от источника тепла, расширяется, охлаждается и выталкивает поршень. Когда поршень возвращается в цилиндр, он сжимает и нагревает газ, так что газ завершает цикл при точно таком же давлении, объеме и температуре, с которых он начал. Двигатель Карно не теряет энергию на трение или окружающую среду. Это полностью обратимо — теоретически совершенная и совершенно теоретическая модель работы двигателей. Но это многое говорит нам и о реальных двигателях.

Насколько эффективен двигатель?

Нам не следует рассчитывать когда-либо использовать на практике всю движущую силу горючих материалов. »

Николя Сади Карно, 1824

Следует отметить вывод, к которому пришел Карно: КПД двигателя (реальная или теоретическая) зависит от максимальной и минимальной температур, в пределах которых он работает . С математической точки зрения, КПД двигателя Карно, работающего в диапазоне от Tmax (его максимальная температура) до Tmin (его минимальная температура):

(Tmax−Tmin) / Tmax

, где обе температуры измеряются в кельвинах (K). Повышение температуры жидкости внутри цилиндра в начале цикла делает его более эффективным; снижение температуры на противоположном конце цикла также делает его более эффективным. Другими словами, действительно эффективная тепловая машина работает при максимально возможной разнице температур. Другими словами, мы хотим, чтобы Tmax была как можно выше, а Tmin как можно ниже. Вот почему такие вещи, как паровые турбины на электростанциях, должны использовать градирни для максимально возможного охлаждения своего пара: именно так они могут получать больше энергии из пара и производить больше электроэнергии. В реальном мире движущиеся транспортные средства, такие как автомобили и самолеты, очевидно, не могут иметь ничего похожего на градирни, и трудно достичь низких температур Tmin, поэтому вместо этого мы обычно сосредотачиваемся на повышении Tmax. Настоящие двигатели — в автомобилях, грузовиках, реактивных самолетах и ​​космических ракетах — работают при чрезвычайно высоких температурах (поэтому они должны быть построены из высокотемпературных материалов, таких как сплавы и керамика).

Каков максимальный КПД двигателя?

Есть ли предел эффективности тепловой машины? Да! Tmin никогда не может быть меньше нуля (при абсолютном нуле), поэтому, согласно Согласно нашему уравнению, приведенному выше, ни один двигатель не может быть более эффективным, чем Tmax/Tmax = 1, что соответствует 100-процентному КПД, и большинство настоящие двигатели и близко к этому не подходят. Если бы у вас была паровая машина, работающая при температуре от 50°C до 100°C, это было бы около 13 процентов эффективности. Чтобы получить 100-процентную эффективность, вам нужно охладить пар. до абсолютного нуля (-273°C или 0K), что, очевидно, невозможно. Даже если бы вы могли охладить его до замерзания (0 ° C или 273 K), вы все равно получите только 27-процентную эффективность.

Таблица: Тепловые двигатели более эффективны, когда они работают при больших перепадах температур. Предполагая постоянную минимальную температуру льда (0 ° C или 273 K), эффективность медленно растет по мере повышения максимальной температуры. Но обратите внимание, что мы получаем убывающую отдачу: с каждым повышением температуры на 50 ° C эффективность растет с каждым разом меньше. Другими словами, мы никогда не сможем достичь 100-процентной эффективности, просто повысив максимальную температуру.

Это также помогает нам понять, почему более поздние паровые двигатели (созданные такими инженерами, как Ричард Тревитик и Оливер Эванс) использовали намного более высокие давлений пара , чем у таких людей, как Томас Ньюкомен. Двигатели более высокого давления были меньше, легче и их было проще устанавливать на движущихся транспортных средствах, но они также были намного эффективнее: при более высоких давлениях вода закипает при более высоких температурах, и это дает нам большую эффективность. При удвоенном атмосферном давлении вода кипит при температуре около 120°C (393K), что дает КПД 30%. с минимальной температурой 0°С; при четырехкратном атмосферном давлении температура кипения составляет 143°C (417K), а эффективность близка к 35%. Это большое улучшение, но все еще далеко от 100 процентов. Паровые турбины на электростанциях используют очень высокое давление (более чем в 200 раз превышающее атмосферное давление). является типичным). При 200 атмосферах вода кипит при температуре около 365°C (~640K), что дает максимальный теоретический КПД около 56 процентов, если мы также сможем охладить воду до точки замерзания (и если нет других потерь тепла или неэффективности). Даже в этих экстремальных и идеальных условиях мы все еще очень далеки от 100-процентной эффективности; реальные турбины с большей вероятностью достигают 35–45 процентов. Создание эффективных тепловых двигателей намного сложнее, чем кажется!

Узнайте больше

На этом сайте

  • Дизельные двигатели
  • Энергия
  • Бензиновые двигатели
  • Тепло
  • Реактивные двигатели
  • Паровые машины
  • Двигатели Стирлинга

На других сайтах

Один из лучших способов понять двигатели — это посмотреть анимацию их работы. Вот два очень хороших сайта, на которых исследуется широкий спектр различных движков:

  • Анимированные движки: Этот отличный сайт охватывает практически все виды движков, которые вы только можете себе представить, с простыми для понимания анимациями и очень четкими письменными описаниями.
  • Посмотрите, как работают двигатели: коллекция очень красиво нарисованных анимаций реальных двигателей из Лондонского музея науки. (Архивировано через Wayback Machine.)

Книги

Введение
  • Шесть легких пьес Ричарда П. Фейнмана. Penguin, 1998. Глава 4 представляет собой очень оригинальное объяснение сохранения энергии, включая довольно простое объяснение того, почему ни один двигатель или машина не является более эффективным, чем полностью обратимый (идеальный).
Более сложный
  • Цикл Карно и тепловой двигатель. Основы и приложения Мишеля Фейдта (ред.). MDPI AG, 2020. Сборник коротких статей об эффективности тепловых двигателей и смежных темах.
  • Механический КПД тепловых двигателей, Джеймс Р. Сенфт. Издательство Кембриджского университета, 2007. Исследует и сравнивает термодинамические циклы в различных тепловых двигателях.
  • Размышления о движущей силе тепла Н. Сади Карно, Нью-Йорк, Уайли, 1897. Прочитайте идеи Карно его собственными словами.
Детские книги
  • «Паровой двигатель — прорыв в энергетике» Ричарда Теймса. Heinemann, 1999. В этом 32-страничном введении (для детей 9–12 лет) рассматривается влияние паровых двигателей на общество.

Пожалуйста, НЕ копируйте наши статьи в блоги и другие веб-сайты.

Статьи с этого веб-сайта зарегистрированы в Бюро регистрации авторских прав США. Копирование или иное использование зарегистрированных произведений без разрешения, удаление этого или других уведомлений об авторских правах и/или нарушение смежных прав может повлечь за собой серьезные гражданские или уголовные санкции.

Авторские права на текст © Chris Woodford 2009, 2019. Все права защищены. Полное уведомление об авторских правах и условия использования.

Подпишитесь на нас

Оцените эту страницу

Пожалуйста, оцените эту страницу или оставьте отзыв, и я сделаю пожертвование WaterAid.

Сохранить или поделиться этой страницей

Нажмите CTRL + D, чтобы добавить эту страницу в закладки на будущее или рассказать о ней друзьям:

Цитировать эту страницу

Вудфорд, Крис. (2009/2019) Двигатели. Получено с https://www.explainthatstuff.com/engines.html. [Доступ (вставьте дату здесь)]

Подробнее на нашем веб-сайте…

  • Связь
  • Компьютеры
  • Электричество и электроника
  • Энергия
  • Машиностроение
  • Окружающая среда

  • Гаджеты
  • Домашняя жизнь
  • Материалы
  • Наука
  • Инструменты и приборы
  • Транспорт

↑ Вернуться к началу

Узнайте о тепловом двигателе | Chegg.com

Тепловая машина Определение

Тепловая машина — это устройство, которое преобразует химическую, тепловую и тепловую энергию в механическую энергию. Эта механическая энергия может быть использована для создания движения. Первая тепловая машина была разработана Джеймсом Уоттсом между 1763 и 1775 годами.

Обзор тепловой машины

Как правило, все тепловые двигатели сконструированы путем объединения нескольких термодинамических циклов. процессы. Они используются в качестве эталона, потому что эффективность термодинамического цикл максимальный. Например, идеальный дизельный цикл используется в качестве эталона для все дизельные двигатели. Среди всех тепловых машин тепловая машина Карно занимает первое место. высочайшая эффективность.

Ниже показано преобразование энергии в тепловом двигателе:

Есть вопрос по этой теме?

Что вы узнаете:

  • Определение тепловой машины
  • Обзор тепловой машины
  • Типы тепловых машин:
  • Процессы, происходящие в тепловых машинах:
  • КПД тепловой машины:
  • Различные 90 типов тепловых циклов
  • Использование тепловых двигателей:
  • Практический вопрос

Типы тепловых двигателей:

Обычно, существует два типа тепловых двигателей:

1. Двигатель внутреннего сгорания- В двигателе внутреннего сгорания выделение тепла занимает место внутри самого цилиндра двигателя. Это наиболее часто используемые двигатели в практической жизни. Эти двигатели используются в поездах, транспортных средствах, лодках, самолетах, кораблях и т. д.

Примерами двигателей внутреннего сгорания являются Otto, Diesel, Миллер, Брайтон (в реактивных двигателях), Аткинсон, Ленуар и т.д.

2. Двигатель внешнего сгорания- В двигателе внешнего сгорания выделение тепла происходит вне цилиндра двигателя. Для подачи тепловой энергии к рабочему телу используется внешний источник. Примерами двигателей внешнего сгорания являются двигатели Ренкина, Карно, Эрикссона, Стирлинга и др.

Процессы, задействованные в тепловых двигателях:

Цикл теплового двигателя включает как минимум три термодинамических процесса. Как правило, количество процессов в тепловом цикле равно четырем. Этими четырьмя процессами являются расширение, подвод тепла, сжатие и отвод тепла.

Вышеуказанные четыре процесса осуществляются при различных следующих условиях:

1. При постоянном давлении – Изобарический

2. При постоянном объеме – Изохорный

3. При постоянной температуре – Изотермический

4. При постоянной энтропии – изэнтропический или адиабатический

Типичный тепловой цикл показан на изображении ниже:

Анализ теплового цикла выполняется с использованием газ. Если масса газа в тепловом цикле не меняется со временем, то система называется замкнутой.

Работа, совершаемая газом, определяется как:

W=∫P dVW = \int P\ dVW=∫P dV

Где,

P= Давление газа

V= Объем газа

Площадь диаграммы давление-объем также представляет выполненную работу.

КПД тепловой машины:

В тепловой машине Карно процессы обратимы. Именно поэтому тепловые машины Карно обладают максимальным КПД среди всех реальных двигателей. Обратимый процесс происходит очень медленно при отсутствии трения. Так что КПД самый высокий.

Эффективность цикла Карно η\etaη определяется как

η=1−TLTH\eta = 1-\dfrac{T_L}{T_H}η=1−TH​TL​​

TL=Температура стокаT_L=Температура\ стокаTL=Температура стока
TH=Температура источникаT_H=Температура\ источника\TH​=Температура источника

Эффективность Карно цикл может быть увеличен за счет снижения температуры стока или повышения температуры источника.

Различные типы тепловых циклов

Различные типы тепловых циклов могут быть разработаны с использованием различных термодинамических процессов упомянутое выше. Некоторые тепловые двигатели, работающие по принципу теплового цикла, описаны ниже:

Тепловой цикл Карно :

Тепловая машина Карно работает по тепловому циклу Карно. Тепловой цикл Карно — это идеальный термодинамический цикл, в котором для производства работы используются четыре процесса. Из четырех процессов два протекают обратимо при постоянной температуре, а два других являются адиабатическими процессами. Цикл Карно является замкнутым циклом. Процессы цикла Карно включают следующие этапы:

Процесс 1-2: Процесс расширения при постоянной температуре. В этом процессе газ совершает работу.

Процесс 2-3: Процесс адиабатического расширения. При этом газ охлаждается.

Процесс 3-4: процесс сжатия при постоянной температуре. В этом процессе совершается работа над газ.

Процесс 4-1: Процесс адиабатического сжатия. При этом температура газа восстановлен.

Здесь следует отметить, что работа, совершаемая газом, превышает работу, совершаемую на газ. В этом преимущество всего процесса. Диаграмма давление-объем для цикла Карно показана ниже:

Если термодинамический цикл работает по часовой стрелке, то он работает как тепловой двигатель. В этом случае часть поглощенной теплоты превращается в работу, а остальная часть отдается поглощению. Если цикл работает против часовой стрелки, то он работает как тепловой насос и холодильник. В этом случае над системой совершается работа по извлечению тепла из системы, как это делается в холодильнике.

Цикл Стирлинга:

Тепловая машина Стирлинга работает по циклу Стирлинга. Этот цикл также включает четыре процесса. Из четырех процессов два являются процессами с постоянной температурой (изотермический процесс), а два других являются процессами с постоянным объемом (изохорический процесс). Цикл Стирлинга представляет собой замкнутый цикл внешнего сгорания.

Цикл Эрикссона:

Двигатель Эрикссона работает по циклу Эрикссона. Работа цикла Эрикссона такая же, как у цикла Стирлинга. Стирлинг — это замкнутый цикл, а Эрикссон — открытый цикл. Это также используется в двигателе внешнего сгорания. Цикл Эрикссона включает четыре процесса. Из четырех процессов два являются процессами с постоянным давлением, а два других — процессами с постоянной температурой. Это также используется в двигателе внешнего сгорания.

Цикл Ренкина:

Все паровые машины работают по циклу Ренкина. Цикл Ренкина представляет собой замкнутый цикл внешнего сгорания. В цикле Ренкина используются двухфазные жидкости, в которых жидкая фаза жидкости превращается в паровую фазу. Все паровые электростанции также работают по циклу Ренкина.

Различные процессы в цикле Ренкина:

1-2: Процесс подвода тепла при постоянном давлении (в котле)

2-3: Процесс изоэнтропического (адиабатического) расширения (в турбине)

4-3: Отвод тепла при постоянном давлении (в конденсаторе)

4-1: Подвод тепла при постоянном объеме (в насосе)

Цикл Отто:

Все бензиновые двигатели работают по циклу Отто. Это идеальный цикл, который используется как эталон для измерения выходной мощности всего реального рабочего бензина двигатели. Этот цикл состоит из четырех процессов, из которых два являются постоянными. объемные процессы, а два других являются обратимыми адиабатическими процессами.

Дизельный цикл:

Все дизельные двигатели работают по принципу дизельного цикла. Этот цикл включает четыре процесса. Четыре процесса: 1) подвод тепла при постоянном давлении, 2) обратимое адиабатическое расширение, 3) отвод тепла при постоянном объеме и 4) обратимое адиабатическое сжатие. В качестве рабочего тела в дизельном двигателе используется воздух.

Цикл Брайтона:

Все газотурбинные двигатели работают по циклу Брайтона. Цикл Брайтона включает четыре процесса, два из которых являются процессами постоянного давления, а два других — обратимыми адиабатическими процессами.

Использование тепловых двигателей:

1. На тепловых электростанциях тепловые двигатели используются для производства электроэнергии.

2. Паровая машина используется для приведения в движение кораблей и поездов.

3.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.