Принципы действия тепловых двигателей. Принцип действия тепловых машин

Благодаря обмену тепла с другими внешними телами. Нагревание происходит обычно благодаря тому, что сгорает топливо, в результате чего получается достаточная температура на нагревательном элементе. В данном случае работа осуществляется благодаря использованию энергии смеси кислорода и топлива. Есть различные виды тепловых двигателей, работа которых основана на нагреве с помощью Солнца, разницы в температурах воды. Однако такие машины не получили достаточного распространения и значения. В эксплуатации сейчас часто можно обнаружить двигатели, использующие выделяющуюся тепловую энергию расщепления атомных ядер в реакторе.

Паросиловые станции

Поршневые паровые (тепловые) двигатели были созданы в конце девятнадцатого века. Через сто лет появились и первые паровые турбины. Как говорит само название, принцип работы основан на паре, обычно водяном, но есть возможность применять даже пары ртути. Турбины на пару устанавливаются на мощных электростанциях и крупных кораблях. Поршневой двигатель же нашел применение разве что в водном транспорте (пароходы и паровозы) и на железной дороге. Для успешной работы самого двигателя на пару необходимы некоторые вспомогательные устройства и машины, что в совокупности составляет паросиловую станцию, в которой циркулируют всегда одни и те же водные потоки. Они трансформируются в специальных котлах в пар, а затем уже пар производит необходимую работу в поршневой машине (или в турбине). Следующим этапом является превращение пара в охлаждаемом барабане в воду (конденсатор). Из него образовавшаяся вода через насос и сборный бак направляется опять в котел, замыкая круговорот водного потока. Обычно котел именуют термином «нагреватель», а конденсатор называют холодильником. Благодаря тому, что внутри установки циркулирует один и тот же поток воды, накипь практически не образуется.

Паровые котлы

Тепловые двигатели на пару (котлы) состоят из непосредственно котла и топки, в которой на колосниковых решеточках сжигается уголь (или, в некоторых, случаях дрова). Применять жидкое топливо можно с помощью его распыления паром в форсунках. Сжатый воздух, который вырывается из узкой трубки, всасывает жидкое топливо, а затем разбрызгивает его в необходимом направлении. Котел состоит из трубок и барабана. Через стены труб передается теплота от топочного газа воде. Изредка вода может находиться снаружи по отношению к трубам, а под ним - одни топочные газы, иногда - наоборот, то есть вода - внутри трубок, а горячий газ их омывает. В таких тепловых двигателях, как паровые котлы, пар перегревается в так называемых змеевиках, при этом он трансформируется в ненасыщенный из насыщенного. Таким образом, уменьшается конденсация паров на стенках турбины и паропроводов, а значит, повышается коэффициент полезного действия самой станции. На котел устанавливают манометр, с помощью которого осуществляется наблюдение за уровнем давления пара. Необходим и специальный клапан, который выпустит нужный объем пара в том случае, когда давление превысит предельную величину. На дне барабана есть приспособления для диагностики уровня воды.

Паровые турбины

Турбины состоят из стальных цилиндров, внутри них расположен вал, а на нем закреплены рабочие колеса, между которыми помещены направляющие лопаты или сопла. Пар, который вырывается между этими лопатками, попадает на лопатки у рабочего колеса, которое вращается и выполняет работу. Причина вращения самого колеса - реакция струи пара. В турбине потоки пара расширяются и охлаждаются, так как входят в нее по очень узким пароходам, а выходят - в широких трубах.

Двигатели внутреннего сгорания

Крайне распространенные тепловые двигатели работают на системе внутреннего сгорания и устанавливаются в танках, самолетах, автомобилях, тракторах и так далее. Работать они могут на разном топливе: керосин, бензин, сжатый горючий газ. Основная часть двигателя такого типа - это набор цилиндров. Внутри них и происходит сжигание какого-либо топлива. В цилиндре двигается поршень, который являет собой полый и закрытый только с одной стороны цилиндр. Поршень опоясан пружинами в виде колец. Их назначение - не пропустить газ, образованный во время сгорания топлива, в промежутки между самим поршнем и стенами цилиндра. Верхние части цилиндров связаны с закрытыми через клапаны каналы. Через них впускаются горячие смеси, а также выбрасываются отходы сгорания. Кроме этих клапанов сверху помещена свеча. Она является приспособлением, с помощью которого производится зажигание горючей смеси через полученную от электрических приборов (бобины или магнето) искры.

Карбюратор

Важная часть тепловых двигателей, которые работают на принципе внутреннего сгорания, - это карбюратор. Если впускной клапан в цилиндре открыт, то поршень двигается к валу, и воздух входит через отверстие. Воздушные массы проходят мимо трубки, соединенной с камерой, в которой находится бензин. Воздух с большой скоростью проходит возле конца трубки, всасывает бензин, а затем его распыляет. То есть образовывается горючая смесь, которая состоит из паров бензина и воздуха. Приток этой смеси в цилиндр ограничен дроссельными заслонками.

Такты работы двигателя

Есть всего четыре основных такта работы машины внутреннего сгорания:

1. Всасывание. Во время первого такта открывается клапан, поршень засасывает горючую смесь в цилиндр из карбюратора.
2. Сжатие. Во втором такте клапан впускной закрывается, а поршень двигается вверх и сжимает смесь, нагревая ее таким образом.
3. Сгорание. После того как поршень достигнет положения вверху, смесь зажигается при помощи получаемой от свечи электрической искры. Сила давления раскаленного газа выталкивает поршень вниз. Это движение передается валу, и совершается работа.
4. Выпуск (он же выхлоп). Открывается клапан выпускной, и все отработанные продукты сгорания выбрасывается в атмосферу через глушитель.

Из всех четырех тактов (во время которых происходит только два оборота вала) лишь третий - рабочий. Именно поэтому одноцилиндровый тепловой двигатель снабжают маховиком, который раскручивается и вращается во время всех других таков. Одноцилиндровый двигатель устанавливают разве что на мотоциклы. На автомобилях ставят более четырех цилиндров. При этом их устанавливают таким образом, чтобы хотя бы один из цилиндров был в работе на каждый такт. Для старта двигателя используют электромотор, который питается от стартера (аккумулятора).

Дизельные двигатели

В дизельной машине сжимается не смесь, а просто воздух, причем сжатие происходит многократное, а воздух нагревается до сотен градусов Цельсия. После завершения процесса сжатия в цилиндр вбрызгивают уже и жидкое топливо с помощью форсунки, которая работает от нагнетаемого компрессорами сжатого воздуха. Разбрызганная нефть зажигается благодаря высоким температурам. В это время происходит полезная работа, а затем - выброс отработанного газа. Дизели применяют в тепловозах, грузовиках, тракторах.

Реактивный двигатель

Такие тепловые машины по существу являются двигателями внутреннего сгорания, однако в них применяют так называемую реактивную струю. Сам двигатель находится в цилиндрическом корпусе. В переднее его отверстие входит воздух. Затем в компрессоре воздушный поток проходит вдоль оси самого двигателя. После компрессии поток попадает в камеру с горючим, где и образовывается горючая смесь, которая загорается. Таким образом, получаются высокотемпературные газы, которые движутся затем к выходным соплам, приводя в движение газовую турбину. Данные газы имеют невероятную скорость.

Работу многих видов машин характеризует такой важный показатель, как КПД теплового двигателя. Инженеры с каждым годом стремятся создавать более совершенную технику, которая при меньших давала бы максимальный результат от его использования.

Устройство теплового двигателя

Прежде чем разбираться в том, что такое необходимо понять, как же работает этот механизм. Без знания принципов его действия нельзя выяснить сущность этого показателя. Тепловым двигателем называют устройство, которое совершает работу благодаря использованию внутренней энергии. Любая тепловая машина, превращающая в механическую, использует тепловое расширение веществ при повышении температуры. В твердотельных двигателях возможно не только изменение объема вещества, но и формы тела. Действие такого двигателя подчинено законам термодинамики.

Принцип функционирования

Для того чтобы понять, как же работает тепловой двигатель, необходимо рассмотреть основы его конструкции. Для функционирования прибора необходимы два тела: горячее (нагреватель) и холодное (холодильник, охладитель). Принцип действия тепловых двигателей (КПД тепловых двигателей) зависит от их вида. Зачастую холодильником выступает конденсатор пара, а нагревателем — любой вид топлива, сгорающий в топке. КПД идеального теплового двигателя находится по такой формуле:

КПД = (Тнагрев. - Тхолод.)/ Тнагрев. х 100%.

При этом КПД реального двигателя никогда не сможет превысить значения, полученного согласно этой формуле. Также этот показатель никогда не превысит вышеупомянутого значения. Чтобы повысить КПД, чаще всего увеличивают температуру нагревателя и уменьшают температуру холодильника. Оба эти процесса будут ограничены реальными условиями работы оборудования.

При функционировании теплового двигателя совершается работа, по мере которой газ начинает терять энергию и охлаждается до некой температуры. Последняя, как правило, на несколько градусов выше окружающей атмосферы. Это температура холодильника. Такое специальное устройство предназначено для охлаждения с последующей конденсацией отработанного пара. Там, где имеются конденсаторы, температура холодильника иногда ниже температуры окружающей среды.

В тепловом двигателе тело при нагревании и расширении не способно отдать всю свою внутреннюю энергию для совершения работы. Какая-то часть теплоты будет передана холодильнику вместе с или паром. Эта часть тепловой неизбежно теряется. Рабочее тело при сгорании топлива получает от нагревателя определенное количество теплоты Q 1 . При этом оно еще совершает работу A, в ходе которой передает холодильнику часть тепловой энергии: Q 2

КПД характеризует эффективность двигателя в сфере преобразования и передачи энергии. Этот показатель часто измеряется в процентах. Формула КПД:

η*A/Qx100 %, где Q — затраченная энергия, А — полезная работа.

Исходя из закона сохранения энергии, можно сделать вывод, что КПД будет всегда меньше единицы. Другими словами, полезной работы никогда не будет больше, чем на нее затрачено энергии.

КПД двигателя — это отношение полезной работы к энергии, сообщенной нагревателем. Его можно представить в виде такой формулы:

η = (Q 1 -Q 2)/ Q 1 , где Q 1 — теплота, полученная от нагревателя, а Q 2 — отданная холодильнику.

Работа теплового двигателя

Работа, совершаемая тепловым двигателем, рассчитывается по такой формуле:

A = |Q H | - |Q X |, где А — работа, Q H — количество теплоты, получаемое от нагревателя, Q X — количество теплоты, отдаваемое охладителю.

|Q H | - |Q X |)/|Q H | = 1 - |Q X |/|Q H |

Он равняется отношению работы, которую совершает двигатель, к количеству полученной теплоты. Часть тепловой энергии при этой передаче теряется.

Двигатель Карно

Максимальное КПД теплового двигателя отмечается у прибора Карно. Это обусловлено тем, что в указанной системе он зависит только лишь от абсолютной температуры нагревателя (Тн) и охладителя (Тх). КПД теплового двигателя, работающего по определяется по следующей формуле:

(Тн - Тх)/ Тн = - Тх - Тн.

Законы термодинамики позволили высчитать максимальный КПД, который возможен. Впервые этот показатель вычислил французский ученый и инженер Сади Карно. Он придумал тепловую машину, которая функционировала на идеальном газу. Она работает по циклу из 2 изотерм и 2 адиабат. Принцип ее работы довольно прост: к сосуду с газом подводят контакт нагревателя, вследствие чего рабочее тело расширяется изотермически. При этом оно функционирует и получает определенное количество теплоты. После сосуд теплоизолируют. Несмотря на это, газ продолжает расширяться, но уже адиабатно (без теплообмена с окружающей средой). В это время его температура снижается до показателей холодильника. В этот момент газ контактирует с холодильником, вследствие чего отдает ему определенное количество теплоты при изометрическом сжатии. Потом сосуд снова теплоизолируют. При этом газ адиабатно сжимается до первоначального объема и состояния.

Разновидности

В наше время существует много типов тепловых двигателей, которые работают по разным принципам и на различном топливе. У всех у них свой КПД. К ним относятся следующие:

Двигатель внутреннего сгорания (поршневой), представляющий собой механизм, где часть химической энергии сгорающего топлива переходит в механическую энергию. Такие приборы могут быть газовыми и жидкостными. Различают 2- и 4-тактные двигатели. У них может быть рабочий цикл непрерывного действия. По методу приготовления смеси топлива такие двигатели бывают карбюраторными (с внешним смесеобразованием) и дизельными (с внутренним). По видам преобразователя энергии их разделяют на поршневые, реактивные, турбинные, комбинированные. КПД таких машин не превышает показателя в 0,5.

Двигатель Стирлинга — прибор, в котором рабочее тело находится в замкнутом пространстве. Он является разновидностью двигателя внешнего сгорания. Принцип его действия основан на периодическом охлаждении/нагреве тела с получением энергии вследствие изменения его объема. Это один из самых эффективных двигателей.

Турбинный (роторный) двигатель с внешним сгоранием топлива. Такие установки чаще всего встречаются на тепловых электрических станциях.

Турбинный (роторный) ДВС используется на тепловых электрических станциях в пиковом режиме. Не так сильно распространен, как другие.

Турбиновинтовой двигатель за счет винта создает некоторую часть тяги. Остальное он получает за счет выхлопных газов. Его конструкция представляет собой роторный двигатель на вал которого насаживают воздушный винт.

Другие виды тепловых двигателей

Ракетные, турбореактивные и которые получают тягу за счет отдачи выхлопных газов.

Твердотельные двигатели используют в качестве топлива твердое тело. При работе изменяется не его объем, а форма. При эксплуатации оборудования используется предельно малый перепад температуры.

Как можно повысить КПД

Возможно ли повышение КПД теплового двигателя? Ответ нужно искать в термодинамике. Она изучает взаимные превращения разных видов энергии. Установлено, что нельзя всю имеющуюся механическую и т. п. При этом преобразование их в тепловую происходит без каких-либо ограничений. Это возможно из-за того, что природа тепловой энергии основана на неупорядоченном (хаотичном) движении частиц.

Чем сильнее разогревается тело, тем быстрее будут двигаться составляющие его молекулы. Движение частиц станет еще более беспорядочным. Наряду с этим все знают, что порядок можно легко превратить в хаос, который очень трудно упорядочить.

>>Физика: Принцип действия тепловых двигателей. Коэффициент полезного действия (КПД) тепловых двигателей

Запасы внутренней энергии в земной коре и океанах можно считать практически неограниченными. Но для решения практических задач располагать запасами энергии еще недостаточно. Необходимо еще уметь за счет энергии приводить в движение станки на фабриках и заводах, средства транспорта , тракторы и другие машины, вращать роторы генераторов электрического тока и т. д. Человечеству нужны двигатели - устройства, способные совершать работу. Большая часть двигателей на Земле - это тепловые двигатели . Тепловые двигатели - это устройства, превращающие внутреннюю энергию топлива в механическую.
Принципы действия тепловых двигателей. Для того чтобы двигатель совершал работу, необходима разность давлений по обе стороны поршня двигателя или лопастей турбины. Во всех тепловых двигателях эта разность давлений достигается за счет повышения температуры рабочего тела (газа) на сотни или тысячи градусов по сравнению с температурой окружающей среды. Такое повышение температуры происходит при сгорании топлива.
Одна из основных частей двигателя - сосуд, наполненный газом, с подвижным поршнем. Рабочим телом у всех тепловых двигателей является газ, который совершает работу при расширении. Обозначим начальную температуру рабочего тела (газа) через T 1 . Эту температуру в паровых турбинах или машинах приобретает пар в паровом котле. В двигателях внутреннего сгорания и газовых турбинах повышение температуры происходит при сгорании топлива внутри самого двигателя. Температуру T 1 температурой нагревателя."
Роль холодильника. По мере совершения работы газ теряет энергию и неизбежно охлаждается до некоторой температуры T 2 , которая обычно несколько выше температуры окружающей среды. Ее называют температурой холодильника . Холодильником является атмосфера или специальные устройства для охлаждения и конденсации отработанного пара - конденсаторы . В последнем случае температура холодильника может быть немного ниже температуры атмосферы.
Таким образом, в двигателе рабочее тело при расширении не может отдать всю свою внутреннюю энергию на совершение работы. Часть теплоты неизбежно передается холодильнику (атмосфере) вместе с отработанным паром или выхлопными газами двигателей внутреннего сгорания и газовых турбин. Эта часть внутренней энергии теряется.
Тепловой двигатель совершает работу за счет внутренней энергии рабочего тела. Причем в этом процессе происходит передача теплоты от более горячих тел (нагревателя) к более холодным (холодильнику).
Принципиальная схема теплового двигателя изображена на рисунке 13.11.
Рабочее тело двигателя получает от нагревателя при сгорании топлива количество теплоты Q 1 совершает работу A ´ и передает холодильнику количество теплоты Q 2 .
Коэффициент полезного действия (КПД) теплового двигателя .Невозможность полного превращения внутренней энергии газа в работу тепловых двигателей обусловлена необратимостью процессов в природе. Если бы тепло могло самопроизвольно возвращаться от холодильника к нагревателю, то внутренняя энергия могла бы быть полностью превращена в полезную работу с помощью любого теплового двигателя.
Согласно закону сохранения энергии работа, совершаемая двигателем, равна:

где Q 1 - количество теплоты, полученное от нагревателя, а Q 2 - количество теплоты, отданное холодильнику.
Коэффициентом полезного действия (КПД) теплового двигателя называют отношение работы A´ , совершаемой двигателем, к количеству теплоты, полученной от нагревателя:

Так как у всех двигателей некоторое количество теплоты передается холодильнику, то η<1.
КПД теплового двигателя пропорционален разности температур нагревателя и холодильника. При T 1 -T 2 =0 двигатель не может работать.
Максимальное значение КПД тепловых двигателей. Законы термодинамики позволяют вычислить максимально возможный КПД теплового двигателя, работающего с нагревателем, имеющим температуру T 1 , и холодильником с температурой T 2 . Впервые это сделал французский инженер и ученый Сади Карно (1796-1832) в труде «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу» (1824).
Карно придумал идеальную тепловую машину с идеальным газом в качестве рабочего тела. Идеальная тепловая машина Карно работает по циклу, состоящему из двух изотерм и двух адиабат. Сначала сосуд с газом приводят в контакт с нагревателем, газ изотермически расширяется, совершая положительную работу, при температуреT 1 , при этом он получает количество теплоты Q 1 .
Затем сосуд теплоизолируют, газ продолжает расширяться уже адиабатно, при этом его температура понижается до температуры холодильника T 2 . После этого газ приводят в контакт с холодильником, при изотермическом сжатии он отдает холодильнику количество теплоты Q 2 , сжимаясь до объема V 4 . Затем сосуд снова термоизолируют, газ сжимается адиабатно до объема V 1 и возвращается в первоначальное состояние.
Карно получил для КПД этой машины следующее выражение:

Как и следовало ожидать, КПД машины Карно прямо пропорционален разности абсолютных температур нагревателя и холодильника.
Главное значение этой формулы состоит в том, что любая реальная тепловая машина, работающая с нагревателем, имеющим температуру T 1 , и холодильником с температурой T 2 , не может иметь КПД, превышающий КПД идеальной тепловой машины.

Формула (13.19) дает теоретический предел для максимального значения КПД тепловых двигателей. Она показывает, что тепловой двигатель тем эффективнее, чем выше температура нагревателя и ниже температура холодильника. Лишь при температуре холодильника, равной абсолютному нулю, η =1.
Но температура холодильника практически не может быть ниже температуры окружающего воздуха. Повышать температуру нагревателя можно. Однако любой материал (твердое тело) обладает ограниченной теплостойкостью, или жаропрочностью. При нагревании он постепенно утрачивает свои упругие свойства, а при достаточно высокой температуре плавится.
Сейчас основные усилия инженеров направлены на повышение КПД двигателей за счет уменьшения трения их частей, потерь топлива вследствие его неполного сгорания и т. д. Реальные возможности для повышения КПД здесь все еще остаются большими. Так, для паровой турбины начальные и конечные температуры пара примерно таковы: T 1 ≈800 K и T 2 ≈300 K. При этих температурах максимальное значение коэффициента полезного действия равно: