Тепловой двигатель

Теплово́й дви́гатель — устройство, совершающее работу за счет использования внутренней энергии топлива, тепловая машина, превращающая тепло в механическую энергию, использует зависимость теплового расширения вещества от температуры. (Возможно использование изменения не только объёма, но и формы рабочего тела, как это делается в твёрдотельных двигателях, где в качестве рабочего тела используется вещество в твёрдой фазе.) Действие теплового двигателя подчиняется законам термодинамики. Для работы необходимо создать разность давлений по обе стороны поршня двигателя или лопастей турбины. Для работы двигателя обязательно наличие топлива. Это возможно при нагревании рабочего тела (газа), который совершает работу за счёт изменения своей внутренней энергии. Повышение и понижение температуры осуществляется, соответственно, нагревателем и охладителем.

Содержание

История

Первой известной нам тепловой машиной была паровая турбина внешнего сгорания, изобретённая во ΙΙ (или в Ι ?) веке н. эры в римской империи. Это изобретение не получило своего развития предположительно из-за низкого уровня техники того времени (например, тогда ещё не был изобретён подшипник).

Теория

Работа, совершаемая двигателем, равна:

, где:

• — количество теплоты, полученное от нагревателя,
• — количество теплоты, отданное охладителю.

Коэффициент полезного действия (КПД) теплового двигателя рассчитывается как отношение работы, совершаемой двигателем, к количеству теплоты, полученному от нагревателя:

Часть теплоты при передаче неизбежно теряется, поэтому КПД двигателя менее 1. Максимально возможным КПД обладает двигатель Карно. КПД двигателя Карно зависит только от абсолютных температур нагревателя() и холодильника():

Типы тепловых двигателей

Двигатель Стирлинга

Дви́гатель Сти́рлинга — тепловая машина, в которой жидкое или газообразное рабочее тело движется в замкнутом объёме, разновидность двигателя внешнего сгорания. Основан на периодическом нагреве и охлаждении рабочего тела с извлечением энергии из возникающего при этом изменения объёма рабочего тела. Может работать не только от сжигания топлива, но и от любого источника тепла.

Поршневой двигатель внутреннего сгорания

ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ, тепловой двигатель, в котором часть химической энергии топлива, сгорающего в рабочей полости, преобразуется в механическую энергию. По роду топлива различают жидкостные и газовые; по рабочему циклу непрерывного действия, 2- и 4-тактные; по способу приготовления горючей смеси с внешним (напр., карбюраторные) и внутренним (напр., дизели) смесеобразованием; по виду преобразователя энергии поршневые, турбинные, реактивные и комбинированные. Коэффициент полезного действия 0,4-0,5. Первый двигатель внутреннего сгорания сконструирован Э. Ленуаром в 1860. В наше время чаще встречается автомобильный транспорт, который работает на тепловом двигателе внутреннего сгорания, работающем на жидком топливе. Рабочий цикл в двигателе происходит за четыре хода поршня, за четыре такта. Поэтому такой двигатель и называется четырёхтактным. Цикл двигателя состоит из следующих четырёх тактов: 1.впуск, 2.сжатие, 3.рабочий ход, 4.выпуск.

Роторный (турбинный) двигатель внешнего сгорания

Примером такого устройства является тепловая электрическая станция в базовом режиме. Таким образом колёса локомотива (электровоза) также, как и в 19 веке, вращает энергия пара. Но тут есть два существенных отличия. Первое отличие заключается в том, что паровоз 19 века работал на качественном дорогом топливе, например на антраците. Современные же паротурбинные установки работают на дешевом топливе, например на канско-ачинском угле, который добывается открытым способом шагающими экскаваторами. Но в подобном топливе много пустого балласта, который транспорту не приходится возить с собой вместо полезного груза. Электровозу не надо возить не только балласт, но и топливо вообще. Второе отличие заключается в том, что тепловая электрическая станция работает по циклу Ренкина, который близок к циклу Карно. Цикл Карно состоит из двух адиабат и двух изотерм. Цикл Ренкина состоит из двух адиабат, изотермы и изобары с регенерацией тепла, которая приближает этот цикл к идеальному циклу Карно. На транспорте трудно сделать такой идеальный цикл, так как у транспортного средства есть ограничения по массе и габаритам, которые практически отсутствуют у стационарной установки.

Роторный (турбинный) двигатель внутреннего сгорания

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

Реактивные и ракетные двигатели

Твёрдотельные двигатели

(источник журнал “Техника молодёжи“)== == Здесь в качестве рабочего тела используется твёрдое тело. Здесь изменяется не объём рабочего тела, а его форма. Позволяет использовать рекордно малый перепад температур.

Какие двигатели называют тепловыми?

Ответ или решение 2

Дадим определение понятия тепловой двигатель

Тепловой двигатель (тепловая машина) — это механизм способный превращать тепло в механическую энергию. Работа подобного двигателя полностью подчиняется законам термодинамики.

Для превращения тепла в энергию тепловой двигатель использует зависимость теплового расширения рабочего вещества от температуры. Либо, в случае твердотопливных двигателей, изменение формы и агрегатного состояния рабочего тела, в силу использования в качестве топлива вещества в твердом агрегатном состоянии.

Для работы подобного двигателя необходимо наличие топлива любого вида. При нагревании данное топливо совершает работу за счет изменения своей внутренней энергии. То есть проще говоря для работы теплового двигателя нам необходимо создать разность давлений внутри и снаружи поршня либо турбины. Все двигатели такого типа работают циклически.

Виды тепловых двигателей

• поршневой двигатель внутреннего сгорания;
• поршневой двигатель внешнего сгорания;
• двигатель Стирлинга (в котором жидкость или газ движется в замкнутом контуре по средством попеременного нагрева и охлаждения рабочего тела);
• турбинный двигатель внешнего сгорания (тепловая электростанция);
• турбинный двигатель внутреннего сгорания ;
• реактивные двигатели;
• твердотопливные двигатели;
• ракетные двигатели.

Основные формулы

КПД теплового двигателя, то есть отношение полезной работы совершаемой двигателем к энергии полученной при сгорании топлива (от нагревателя):

Виды тепловых двигателей

Развитие человеческой цивилизации немыслимо без применения машин и устройств, приводимых в действие за счёт механической работы. Благодаря наличию в земной коре ресурсов, способных выступать в роли топлива, человечество получило доступ к энергии.

При сжигании полезных ископаемых возник вопрос, как преобразовать тепловую энергию в механическую работу. С этой целью сконструированы и воплощены в жизнь всевозможные виды тепловых двигателей. Влияние агрегатов на нашу повседневную жизнь сложно оценить, ни один день не обходится без их участия. Установки вырабатывают электрическую энергию. Двигатели перемещают наземный, водный, воздушный транспорт, участвуют в повседневных делах, как подручный инструмент.

Наиболее распространённый тепловой двигатель внутреннего сгорания в разрезе:

Понятие теплового двигателя

Дабы разобраться, какое устройство называют тепловым двигателем, рассмотрим, как функционирует агрегат. По принятой классификации, установка способна преобразовать тепло от окисления горючего в действие силы на тело посредством теплового объёмного увеличения. Что касается изменения объёма, этот показатель часто встречающийся, однако, в некоторых двигателях используется изменение формы рабочего вещества.

Принцип работы теплового двигателя заключается в воздействии расширяющихся частиц газа на поршень, или лопасти турбины. В результате этого давления происходит перемещение детали, либо вращение вокруг оси. Работа наблюдается в силовых установках, работающих за счёт пара и в агрегатах, где сгорание горючего происходит внутри. Используя вращение, функционируют реактивные моторы самолётов.

Конструктивно агрегаты отличаются между собой, однако принцип действия тепловых двигателей одинаков. Механизмы оборудованы устройством нагрева, в роли рабочего вещества выступает пар или газ и устройством, поддерживающим низкую температуру. Установка нагрева предназначена для выработки тепловой энергии, способствует сгоранию и выделению тепла. Допустим, при горении выделилось некоторое количество тепла «Q нагревателя», эта энергия частично передаётся нагревателю и нагревает до температуры «T нагревателя». Проводится работа «А», ей предшествует перемещение поршня или турбинных лопаток.

Структурная схема работы теплового двигателя:

Вся величина в работу не трансформируется, её количество «Q холодильника» передаётся посредством теплоотдачи через корпус охладительной установке с величиной температуры «T холодильника», роль охладителя играет атмосфера.

Работа теплового двигателя заключается в действии силы на тело. Эффект оценивается величиной, называемой КПД (коэффициент полезного действия), поскольку только часть выделенной энергии расходуется на работу.

Полное расходование энергии невозможно, поскольку природные действия нельзя провести в обратном направлении. Это означает, что выделенное тепло не может самостоятельно вернуться от холодильника к нагревателю, иначе всю энергию можно было бы пустить на работу силовой установки.

Работа двигателя характеризуется формулой:

«Q1» — количество тепла, переданное от охладительной установки, «Q2» – величина тепла, переданное охладительной установке.

КПД тепловых двигателей «ɳ», это частное, полученное от совершённой установкой работы к величине тепла, которое отдала нагревательная установка.

Двигателей, вся теплота которых идёт на выполнение работы, нет, поэтому КПД ɳ˂1. Коэффициент полезного действия пропорционален результату вычитания температуры установки нагрева и установки охлаждения. «T1» -«T2» = 0, работа двигателя невозможна. Энергию, расходуемую двигателем, определяют исходя из энергии, выделяемой при сжигании используемой смеси. Показатель определяют, сжигая килограмм топлива и производя замеры в калориметре.

Удельная теплота сгорания горючего:

Горючее	Количество теплоты, при сгорании 1кг горючего МДж/кг.
Керосин	44
Бензин	46
Каменный уголь	30
Бурый уголь	20
Дерево	10

Обратимый круговой процесс

Работа агрегата оценивается, с этой целью принято КПД идеального теплового двигателя. Впервые такое понятие ввёл изобретатель, Карно, в двадцать четвёртом году девятнадцатого века. Главный принцип цикла, обратимость. Согласно рассуждениям инженера, повторяемость процесса будет обеспечена, когда расширение рабочего вещества при нагреве будет сменяться сжатием этой субстанции до начального состояния при охлаждении. Обмен теплом с атмосферой цикле не учитывается, его нет.

Никола Леонард Сади Карно (1796 – 1832 года жизни):

Идеальный тепловой двигатель конструктивно содержит устройство нагрева с температурой «Т нагревателя», устройство охлаждения с температурой «Т холодильника» и вещество, которое, то сжимается, то расширяется.

Рассмотрим стадии цикла:

• Расширение с температурой = const (А – Б).

Начальная стадия процесса, температура вещества равно значению «Т нагревателя». Происходит соприкосновение с устройством нагрева, веществу передалось тепло от «Q нагревателя», и оно увеличивается в объёме.

Стадии цикла Карно:

• Увеличиваясь в объёме, вещество ни отдало, ни получило тепла (Б – В).

Тело, выполняющее силовое воздействие не соприкасается с устройством нагрева, однако продолжает увеличиваться в объёме, не передавая части теплового носителя атмосфере. Температура вещества выравнивается с температурой установки охлаждения.

• Сдавливание с постоянной температурой (В – Г).

Вещество с показателем температуры, равным температуре установки охлаждения «Т холодильника», контактирует с охладителем и уменьшается в объёме, температура не меняется. Но само тело отдаёт часть температуры холодильнику, «Q холодильника».

• Сдавливание с нарастанием силы и температуры, без теплообмена (Г – А).

Вещество уже не контактирует с холодильником, сжимается без отдачи температуры атмосфере. Температура вещества приравнивается к температуре нагревательного элемента.

Изотермические процессы протекают с постоянной температурой, тогда как адиабатические процессы происходят без теплообмена, следовательно, энтропия в процессах Карно сохраняется.

КПД, соответствующий реальным агрегатам ниже эталонного коэффициента. Идеальный коэффициент используют как эталон, когда определяют, каков резерв разработанной или усовершенствованной силовой установки.

Виды двигателей

Что бы легче различать, какие двигатели называют тепловыми, условно агрегаты классифицировали:

Тепловые двигатели с источником тепла отдельно от рабочего тела.

Мотор Стирлинга

Принцип действия основан на круговороте вещества, совершающего работу в замкнутом объёме. Само совершающее работу вещество, время от времени охлаждается или нагревается. Работа выполняется за счёт изменения объёма. Преимущество двигателя в том, что он способен функционировать от подвода тепла любого происхождения.

Действующая модель двигателя Стирлинга:

Паровой мотор

Преимущество агрегатов, простота и тяга на низких оборотах. Применение установки, работающую от пара не требует использования редуктора, что облегчает конструкцию. Паровая машина хороша для применения, как тяговый двигатель и по этому показателю превосходит двигатель внутреннего сгорания. Недостатки: вес агрегата, низкая скорость и КПД, постоянное применение больших объёмов жидкости.

Применение парового двигателя CVA201 на автомобильном транспорте:

Тепловые двигатели, с источником тепла, выполняющим роль рабочего тела

Двигатель со сгоранием внутри механизма

Силовая установка, работа которой сопряжена с частичным переходом энергии от окислившегося горючего в действие силы.

Классификация моторов проходит по нескольким признакам:

• потребление топлива (бензин, солярка, пропан, бутан, метан);
• цикл работы (моторы на 2 или 4 такта);
• способ приготовления смеси (карбюратор, инжектор, дизель);
• преобразование энергии (поршень, турбина, комбинация).

Поршневые двигатели внутреннего сгорания сегодня занимают лидирующие позиции. По сравнению с другими агрегатами, установок сделано и продано большинство. Ни одна сфера деятельности человека не обходится без этих моторов.

Роторные моторы внутреннего сгорания

Особенность, простота и возможность исполнения любых габаритов установки. Ротор выступает в качестве поршня, вращение происходит по траектории эпитрохоиды в замкнутом пространстве. Пространство снабжено технологическими отверстиями впуска и выпуска, а так же свечой воспламенения. Для выполнения рабочего хода требуется четыре такта, выполнение которых происходит без механизма распределения газов. Роторный мотор не требователен к горючему, дешевле в производстве, и надёжней в сравнении с поршневыми моторами. Недостаток установки, не соответствие экологическим нормам.

Двигатели с силой тяги от реактивной струи рабочего тела

Силовые установки функционируют за счёт силы тяги, полученной от отработанных газов при сгорании рабочего вещества. Преимущество в возможности работы в пространстве без воздуха.

Турбовинтовые агрегаты

Сила тяги сгоревшего рабочего тела используется для привода воздушного винта.

Экологические аспекты

За время использования установок, выявлены экологические проблемы тепловых двигателей. Если раньше человечество не ощущало выбросов в атмосферу, то по мере роста производства и увеличения количества установок, влияние чувствуется в значительной степени. Содержание углекислого газа за счёт рассеивания тепла в окружающую атмосферу ведёт к усилению парникового эффекта, что сказывается на всём живом и увеличивает среднегодовые показатели температур на Земле. Глобальное потепление катастрофически повлияет на мировой океан и последствия для цивилизации будут непредсказуемы.

Очистка, глобальный контроль, применение новых экологических стандартов, вот что спасёт нашу планету. Применение новых, безвредных видов топлива, к которым относится водород, переход на возобновляемые виды энергии. Только объединённые усилия всех стран повлияют на ситуацию, действуя в общих интересах, убережём наш дом от полного вымирания.