Тепловые машины — материалы для подготовки к ЕГЭ по Физике

Паровая турбина; действие, КПД по типам

Что такое тепловой двигатель

В любом тепловом двигателе должны присутствовать следующие части: рабочее тело, нагреватель и холодильник.

Рис. 1. Схема теплового двигателя

Нагреватель, разогретый до температуры T1, передает теплоту Q1 рабочему телу (пару), которое производит работу А (вращает турбину или приводит в движение поршень ДВС). Часть тепла поглощается холодильником, температура которого Т2

На наземном транспорте паровые турбины практически не применяются, т.к. для создания холодильника пришлось бы вместе с полезными грузами перевозить большой объем воды в качества “балласта”, что привело бы к значительному увеличению размеров автомобилей, их веса, расхода топлива и т.д. Понятно, что на морских и речных судах нет необходимости возить с собой огромный запас воды для охлаждения, поэтому паровые турбины, начиная с XIX века, обеспечивают работу главных двигателей морских транспортных средств.

Принцип действия паровой турбины

Турбина состоит из металлического цилиндра, внутри которого находится вал (1) с закрепленными на нем рабочими колесами (дисками) (2). На дисках находятся металлические лопатки особой, изогнутой формы. Между рабочими колесами размещены трубчатые сопла (3), из которых с большой скоростью вырываются струи горячего пара, оказывающие мощное давления на лопатки. Температура пара имеет температуру близкую к 600 0 С. Внутри турбины пар расширяется, охлаждается и далее, после конденсации, с помощью насоса направляется снова в котел-нагреватель.

Рис. 3. Как устроена паровая турбина

Давление пара на лопатки заставляет вращаться вал турбины — производится работа. Когда вал турбины соединен с валом электрогенератора (ротором), вырабатывается электрический ток. Частота вращения вала достигает 3000 оборотов в минуту. Для увеличения скорости вращения, в современных турбинах используется не один, а большое количество дисков, закрепленных на общий вал. Пар оказывает давление на лопатки сразу всех дисков, что повышает эффективность турбины.

Заметим, что турбина может вращаться только в одном направлении и скорость ее может изменяться в широких пределах. Еще одним преимуществом турбин является отсутствие толчков, которые получаются в ДВС при движении поршней взад и вперед. КПД современных турбоагрегатов может достигать 40-50%, а мощность — 1500 МВт.

Первооткрывателем принципа работы паровой турбины считается греческий математик Герон Александрийский (1 век н.э.), предложивший использовать реактивные свойства горячего пара для вращения металлического шара. Дальнейшее развитие и совершенствование этой идеи продолжалось вплоть до конца XIX века. Ученые и инженеры многих стран в разное время внесли свой вклад в совершенствование конструкции этого двигателя. Так, например, многоступенчатую турбину, предназначенную для вращения ротора электрогенератора, запатентовал в 1885 г. английский механик Чарльз Парсонс. А конструкцию сопла для паровых турбин, позволяющего получать сверхзвуковые скорости газа, предложил шведский инженер Густаф де Лаваль в 1890 г. Теперь это сопло так и называется — “сопло Лаваля”.

Что мы узнали?

Итак, мы узнали, что паровая турбина — это один из типов тепловых двигателей, в которых внутренняя энергия насыщенного пара, нагретого до высокой температуры, переходит сначала в механическую (кинетическую) энергию, а потом может быть преобразована в электрическую энергию. Паровые турбины применяются на большинстве тепловых (ТЭС) и атомных (АЭС) электростанциях для генерации электроэнергии, а также на морских и речных судах в качестве основных двигателей.

Какие бывают двигатели и что они едят

На сегодняшний день наиболее распространённым двигателем является поршневой двигатель внутреннего сгорания с искровым зажиганием, или Отто-мотор. Он установлен на большинстве автомобилей в мире. Это легкий, дешевый, тихий и хорошо изученный двигатель. Однако человечество постоянно пытается придумать ему альтернативу как по устройству, так и использованию другого рабочего тела – топлива. И иногда у инженеров получаются весьма занятные экземпляры.

Гибридный двигатель на сжатом воздухе

В 2013 году французский концерн PSA представил систему Hybrid Air, работающую на сжатом воздухе. Однако они были далеко не первыми. Motor Development International на Женевском автосалоне 2009 года представили пневмоколяску MDI AIRpod и ее более серьезный вариант MDI OneFlowAir. В 2011 году японцы провели тест-драйв концепт-кара Toyota Ku Rin, который проехал 3,2 км на одном «заряде» сжатого воздуха. А в 2012 году Tata Motors представила трехместный и трехколесный автомобиль Tata AIRPod.

Читайте также:  Обзор двигателя в Киа Рио, объемом 1

В отличие от предшественников, разработка PSA оказалась элегантнее и проще. Два баллона со сжатым воздухом, компрессор, нагнетающий воздух, и гидравлический мотор, передающий энергию сжатого воздуха в КПП. Система сама пополняла воздушные запасы (например, Tata Airpod требовалось «накачивать» каждые 200 км). Помимо установки со сжатым воздухом, под капотом Hybrid Air предполагалось устанавливать классический 3-цилиндровый двигатель внутреннего сгорания, который бы играл роль насоса и вспомогательного мотора.

В городе машина с Hybrid Air может до 80% времени ехать только на воздухе, не загрязняя атмосферу. Топливная экономичность варьируется от нулевых значений расхода и выбросов до 2,9 л/100 км и 69 г/км при использовании двигателя внутреннего сгорания соответственно. В компании планировали ставить систему Hybrid Air начиная с 2016 года, но – не сложилось.

Водородные топливные элементы

Существует три типа двигателей, использующих водород: одни работают как обычный двигатель внутреннего сгорания, другие – газотурбинные, третьи – агрегаты, использующие химическую реакцию водорода.

Первый двигатель внутреннего сгорания, работающий на водороде, появился в 1806 году, водород в нем использовался как обычный бензин. Однако использовать такие оригинальные двигатели накладно. В газотурбинных двигателях газ сжимается и нагревается, затем выделяемая энергия преобразуется в механическую. В качестве топлива можно использовать практически любое горючее.

Но самые интересные из водородных силовых установок – «химические». Концерны BMW и Toyota представили кроссовер i Hydrogen NEXT на базе последнего X5. Его силовая установка состоит из электродвигателя и литий-ионной батареи, стеков с водородными топливными элементами, химического преобразователя и двух баков, в которых под давлением 700 бар хранится 6 кг водорода. Стек специальных ячеек, наполненных водородом, конвертирует химическую энергию газа в электричество, которое аккумулируется в батарее, а она в свою очередь питает электромотор. Электрохимический генератор в составе топливного элемента выдает мощность 125 кВт (170 л.с.), а пиковая мощность силовой установки — 275 кВт (374 л.с.). В качестве топлива используется смесь водорода и кислорода из окружающего воздуха, вместо вредных выбросов система вырабатывает водяной пар. В BMW заявляют, что к 2022 году планируют выпустить первую партию водородомобилей.

Дизельный двигатель

Более ста лет назад, 23 февраля 1892 года Рудольф Дизель получил патент на свой двигатель. Принципиальным отличием его двигателя от Отто-мотора было то, что топливо в нем нагревалось быстрым сжатием, а не поджогом. Удивительно, но первые двигатели Дизеля работали на растительных маслах или легких нефтепродуктах. Кроме того, первоначально в качестве идеального топлива он предлагал использовать каменноугольную пыль, так как в Германии не было запасов нефти.

Спектр видов 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 определенным успехом работать даже на сырой нефти.

Кстати, в 1898 году на Путиловском заводе в Петербурге был построен первый в мире «бескомпрессорный нефтяной двигатель высокого давления» – агрегат, аналогичный мотору Дизеля. Наша конструкция оказалась более совершенной и перспективной. Но под давлением владельцев лицензий Дизеля все работы над отечественным аналогом дизельного двигателя были остановлены.

Роторный двигатель

Самый престарелый из всех тепловых двигателей именно роторный. С древности известны колеса ветряных и водяных мельниц, которые можно отнести к примитивным роторным двигательным механизмам. В 19 веке стали активно использовать роторные паровые двигатели.

В 1957 года Феликс Ванкель и Вальтер Фройде показали общественности полностью работоспособный роторно-поршневой двигатель (РПД) внутреннего сгорания. Через 7 лет этот движок установили на спорткар NSU Spider, который стал первым серийником с роторно-поршневой двигатель. Такой двигатель лишен большого количества движущихся частей, он проще, а особая конструкция мотора позволяет осуществить любой 4-тактный цикл Дизеля, Стирлинга или Отто без применения специального механизма газораспределения. Но из-за конструктивных особенностей у роторных двигателей крайне низкий ресурс, высокий расход масла и топлива, хотя и большая отдача с меньшего объема.

Читайте также:  ВАЗ-2109 инжектор не заводится причины, что делать

Из-за этих особенностей единственной компанией, которая массово, помимо NSU, выпускала автомобили с роторно-поршневым движком была Mazda. И легендарная Mazda RX-8 была скорее имиджевой моделью, нежели коммерческой. В итоге в начале 2000-х работу с роторно-поршневыми двигателями свернули.

По материалам портала «Популярная механика»

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.

Читайте также:  Замена датчика уровня топлива и его проверка на ВАЗ 2110, ВАЗ 2111, ВАЗ 2112

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.

Ссылка на основную публикацию
Текст песни Бояре — А мы к вам пришли на сайте
Бояре; старинная русская народная игра КАРАКУЛИ Старинная русская народная игра «Бояре» имеет глубочайшие корни. Когда-то такие игры имели глубокий сакральный...
Таблица затяжки колесных болтов динамометрическим ключом
Как правильно затягивать колесные болты инструкция, порядок, список инструментов Затяжка болтов на колесах автомобиля — простой процесс, на первый взгляд....
Таблица номеров регионов на автомобильных номерах 2019
Автомобильные коды регионов России 2020, таблица номеров ГИБДД Ниже представлен полный перечень автомобильных кодов регионов России. Коды ГИБДД регионов России...
Текст песни Веселые ребята — Автомобили на сайте
Песня Автомобили (Веселые ребята) Кофе Блог - Кофе-блог всегда в гуще событий Войти Сентябрь 2008 Пн Вт Ср Чт Пт...
Adblock detector