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.

Принцип действия тепловых двигателей

Тепловой двигатель — это устройство, преобразующее тепловую энергию в механическую работу.

Принцип действия теплового двигателя: нагревающийся газ в двигателе расширяется, давит на поршень или лопасти турбины и тем самым производит механическую работу.

Структурная схема работы теплового двигателя

Основными структурными частями теплового двигателя являются нагреватель, рабочее тело (газ или пар) и холодильник.

1. Нагреватель — устройство или процесс, передающий теплоту рабочему телу. Обычно нагревателем является сгорающее топливо.
2. Рабочее тело — газ, который нагревается и, расширяясь, выполняет работу.
3. Холодильник — охлаждает рабочее тело до исходной температуры. В качестве холодильника может использоваться как специальное устройство, так и окружающая среда.

Двигатель внутреннего сгорания использует теплоту, полученную при сгорании топлива внутри двигателя. Конструкция таких двигателей сложнее и изобрели их позже, чем двигатели внешнего сгорания. Применяются в основном на транспорте. Поршневые двигатели автомобилей, реактивные авиационные двигатели, газовые турбины, ракетные двигатели — это двигатели внутреннего сгорания. Ракетный химический двигатель может работать в безвоздушном пространстве.

КПД тепловых машин

КПД (коэффициент полезного действия) — это отношение полезной работы, совершенной данным двигателем, к количеству теплоты, полученному от нагревателя.

Тепловой двигатель

Тепловые двигатели нашли широчайшее применение в технике в последние 200 лет. Первоначально это были паровые двигатели, потом двигатели внутреннего сгорания. Рассмотрим принципы действия тепловых двигателей.

Превращение внутренней энергии в работу

Согласно законам молекулярно-кинетической теории, тепло представляет собой энергию движения молекул вещества. Нулевая энергия соответствует абсолютному нулю температуры, чем температура выше, тем средняя энергия молекулы выше.

Запасы внутренней тепловой энергии на Земле огромны. Однако, Второе Начало термодинамики налагает жесткое ограничение на их использование. Действительно, если некоторая часть внутренней энергии будет превращена в энергию движения макроскопических тел, то внутренняя энергия уменьшится, уменьшив температуру молекул. Согласно же Второму Началу термодинамики, тепловая энергия молекул без дополнительных усилий может переходить только от более нагретого тела к менее нагретому. Для передачи энергии от менее нагретого тела к более нагретому, требуется совершить дополнительную работу.

Рис. 1. Второе начало термодинамики.

Таким образом, даже располагая большой внутренней энергией в окружающей среде, превратить ее в работу оказывается далеко не всегда возможно. Ведь при этом должно произойти охлаждение окружающей среды без наличия более холодных тел. А этого не может быть.

То есть, превращение внутренней энергии вещества в работу возможно только при наличии «потока тепла», который может быть организован только при наличии двух тел с разной температурой. Такие тела в теории тепловых двигателей называются Нагревателем и Холодильником. Тепло от Нагревателя переходит к Холодильнику, при этом совершается полезная работа.

Рабочее тело теплового двигателя

Для совершения полезной работы необходимо создать движение под действием силы. Такое движение в тепловом двигателе совершается при расширении порции газа, называемого рабочим телом. Во всех тепловых двигателях рабочее тело получает тепло от Нагревателя, затем расширяется, совершая работу. При расширении оно охлаждается и отдает тепло Холодильнику.

Для всех применяемых тепловых двигателей Холодильником является окружающая среда. Нагреватели же зависят от типа двигателя. Для парового двигателя Нагревателем является топка парового котла. Для двигателя внутреннего сгорания (ДВС) Нагревателем является само рабочее тело – горючая газовая смесь.

Рис. 2. Схема теплового двигателя.

КПД теплового двигателя

В любом тепловом двигателе рабочее тело разогревается до некоторой высокой температуры $T_1$, а затем совершает работу, охлаждаясь до температуры $T_2 < T_1$.

Поскольку температура $T_2$ не равна абсолютному нулю, в рабочем теле остается еще некоторая внутрення энергия. Но, получить ее запрещает Второе Начало термодинамики. Эта энергия безвозвратно уходит. Отсюда следует важный вывод: тепловой двигатель имеет ограниченный коэффициент полезного действия (КПД), менее единицы.

В самом деле, Первое Начало термодинамики утверждает, что изменение внутренней энергии системы равно сумме работы внешних сил над системой и количества теплоты, переданной системе. А значит, работа теплового двигателя равна разности энергии, полученной от Нагревателя и отданной Холодильнику:

Для определения КПД теплового двигателя надо учесть, что КПД равен отношению полезной работы к полученной энергии. Допустим, рассматриваемый двигатель идеален, и потерь на трение нет:

Полученная формула идеального теплового двигателя показывает, что его КПД менее единицы даже без потерь на трение, поскольку часть полученной энергии рабочее тело передает Холодильнику.

Простейшим примером теплового двигателя является ночной светильник «Лампа с пузырьками» (лавовая лампа). Несмотря на простоту, в этом светильнике есть все части, необходимые для теплового двигателя – Нагреватель (лампа накаливания или спираль), Холодильник (окружающий воздух), рабочее тело (пузырьки парафина). Движение пузырьков в светильнике продолжается до тех пор, пока существует разница температур Нагревателя и Холодильника.

Рис. 3. Светильник Лавовая лампа.

Что мы узнали?

В тепловом двигателе рабочее тело получает тепло от Нагревателя, расширяется, совершая работу и отдавая тепло Холодильнику. Поскольку на совершение полезной работы идет только часть энергии, полученной от Нагревателя, КПД теплового двигателя всегда меньше единицы.

Тепловой двигатель: принцип работы, виды и применение

Тепловой двигатель – устройство, которое преобразует тепловую энергию в механическую работу и широко применяется в различных сферах современной техники, имея свои преимущества и недостатки.

Введение

Добро пожаловать на лекцию по тепловым двигателям! Сегодня мы будем изучать основные принципы работы и применение тепловых двигателей. Тепловые двигатели являются важной частью современной техники и играют ключевую роль в преобразовании тепловой энергии в механическую работу. Мы рассмотрим различные типы тепловых двигателей, их преимущества и недостатки, а также их применение в различных областях. Давайте начнем!

Нужна помощь в написании работы?

Мы — биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Наша система гарантирует сдачу работы к сроку без плагиата. Правки вносим бесплатно.

Определение теплового двигателя

Тепловой двигатель – это устройство, которое преобразует тепловую энергию, полученную от сжигания топлива или других источников, в механическую работу. Он основан на принципе термодинамического цикла, в котором рабочее вещество подвергается последовательным процессам нагрева, расширения, охлаждения и сжатия.

Тепловые двигатели широко используются в различных областях, включая автомобильную промышленность, энергетику, производство и транспорт. Они являются основой для работы автомобилей, генераторов электроэнергии, паровых и газовых турбин, а также других механизмов, которые требуют преобразования тепловой энергии в механическую работу.

Принцип работы теплового двигателя

Тепловой двигатель работает на основе принципа термодинамического цикла, который состоит из нескольких последовательных процессов. Основные компоненты теплового двигателя включают рабочее вещество, источник тепла, рабочий цилиндр и поршень.

Процесс нагрева

В начале цикла теплового двигателя, рабочее вещество (обычно газ или пар) находится в рабочем цилиндре и подвергается нагреванию от источника тепла. Это может быть сжигание топлива внутри цилиндра или передача тепла через стенки цилиндра.

Процесс расширения

После нагрева, рабочее вещество расширяется, что приводит к движению поршня внутри цилиндра. Это происходит из-за увеличения давления газа или пара внутри цилиндра. Движение поршня можно использовать для приведения в действие других механизмов, таких как колеса автомобиля или генератор электроэнергии.

Процесс охлаждения

После расширения, рабочее вещество охлаждается, что приводит к снижению давления внутри цилиндра. Это может быть достигнуто путем отвода тепла через стенки цилиндра или использования системы охлаждения. Охлаждение позволяет снизить давление и подготовить рабочее вещество к следующему циклу.

Процесс сжатия

После охлаждения, рабочее вещество сжимается, что приводит к движению поршня обратно в исходное положение. Это происходит из-за уменьшения объема газа или пара внутри цилиндра. Сжатие готовит рабочее вещество к следующему циклу и возвращает его в исходное состояние.

Таким образом, тепловой двигатель работает путем последовательного выполнения этих процессов – нагрева, расширения, охлаждения и сжатия. Этот цикл позволяет преобразовать тепловую энергию в механическую работу, которая может быть использована для приведения в действие различных механизмов и устройств.

Основные типы тепловых двигателей

Двигатели внутреннего сгорания

Двигатели внутреннего сгорания являются наиболее распространенным типом тепловых двигателей. Они работают путем сжигания топлива внутри цилиндра, что приводит к расширению газов и движению поршня. Примерами двигателей внутреннего сгорания являются двигатели внутреннего сгорания с искровым зажиганием (бензиновые двигатели) и двигатели внутреннего сгорания с самовоспламенением (дизельные двигатели).

Паровые двигатели

Паровые двигатели используют пар в качестве рабочего вещества. Они работают путем нагревания воды до образования пара, который затем расширяется и движет поршень. Паровые двигатели были широко использованы в прошлом, особенно в паровых машинах и паровых локомотивах. Однако с развитием других типов двигателей, паровые двигатели стали менее распространенными.

Газовые турбины

Газовые турбины работают на основе принципа расширения газа через турбину. Они используют сжатый воздух или газ в качестве рабочего вещества, который затем нагревается и расширяется через турбину. Газовые турбины обычно используются в авиационной и энергетической отраслях, где требуется высокая мощность и эффективность.

Паровые турбины

Паровые турбины работают похожим образом на газовые турбины, но вместо газа они используют пар в качестве рабочего вещества. Паровые турбины широко используются в энергетической отрасли для производства электроэнергии. Они также могут использоваться в комбинированных циклах, где паровая турбина работает вместе с газовой турбиной для повышения эффективности.

Это основные типы тепловых двигателей, которые используются в различных областях промышленности и транспорта. Каждый из них имеет свои преимущества и недостатки, и выбор конкретного типа зависит от требуемой мощности, эффективности и условий эксплуатации.

Преимущества и недостатки тепловых двигателей

Преимущества:

1. Высокая эффективность: Тепловые двигатели могут преобразовывать большую часть тепловой энергии в механическую работу, что делает их очень эффективными в использовании энергии.

2. Универсальность: Тепловые двигатели могут работать на различных видах топлива, таких как бензин, дизельное топливо, природный газ и другие, что делает их универсальными и применимыми в различных отраслях.

3. Простота конструкции: Тепловые двигатели имеют относительно простую конструкцию, что облегчает их производство, обслуживание и ремонт.

4. Долговечность: Правильно эксплуатируемые и обслуживаемые тепловые двигатели могут иметь длительный срок службы.

Недостатки:

1. Высокие выбросы: Тепловые двигатели, особенно двигатели внутреннего сгорания, могут выбрасывать вредные вещества в атмосферу, такие как углекислый газ, оксиды азота и другие, что может негативно влиять на окружающую среду и здоровье людей.

2. Зависимость от топлива: Тепловые двигатели требуют постоянного снабжения топливом, что может быть проблемой в случае его нехватки или высокой стоимости.

3. Низкая эффективность использования тепловой энергии: Несмотря на высокую эффективность преобразования тепловой энергии в механическую работу, тепловые двигатели все равно имеют потери энергии в виде тепла, шума и трения, что снижает общую эффективность использования тепловой энергии.

4. Ограниченная мощность: Тепловые двигатели имеют ограниченную мощность, что может быть проблемой в случае необходимости большой мощности, например, для привода тяжелых машин или генерации электроэнергии.

В целом, тепловые двигатели являются важным и широко используемым типом двигателей, но они имеют свои преимущества и недостатки, которые необходимо учитывать при выборе их для конкретных задач и условий эксплуатации.

Применение тепловых двигателей в современной технике

Автомобильная промышленность

Одним из основных применений тепловых двигателей в современной технике является автомобильная промышленность. Большинство автомобилей оснащены внутренними сгораниями двигателями, которые работают на бензине или дизельном топливе. Тепловой двигатель в автомобиле преобразует химическую энергию топлива в механическую работу, которая приводит в движение колеса автомобиля.

Энергетика

Тепловые двигатели также широко используются в энергетической отрасли. Главным образом, это касается электростанций, которые работают на основе сжигания угля, нефти или газа. Тепловой двигатель в электростанции преобразует тепловую энергию, выделяющуюся при сжигании топлива, в механическую работу, которая затем приводит в действие генератор электроэнергии.

Промышленность

В промышленности тепловые двигатели используются для привода различных механизмов и оборудования. Например, в производстве используются паровые двигатели, которые работают на основе преобразования тепловой энергии водяного пара в механическую работу. Также в промышленности широко применяются газовые турбины и газовые двигатели, которые работают на основе сжигания природного газа или других газообразных топлив.

Транспорт

Тепловые двигатели также используются в других видах транспорта, таких как самолеты, поезда и суда. Воздушные суда обычно оснащены турбореактивными двигателями, которые работают на основе сжигания топлива и выхлопа газового потока, создаваемого в результате этого процесса. Поезда и суда могут использовать как дизельные двигатели, так и паровые двигатели для привода.

Домашнее использование

Тепловые двигатели также могут использоваться в домашних условиях для привода различных устройств, таких как генераторы электроэнергии, насосы и другие. Например, домашние генераторы часто работают на основе сжигания топлива внутренним сгоранием двигателя, который затем приводит в действие генератор электроэнергии.

Таким образом, тепловые двигатели имеют широкое применение в современной технике и используются в различных отраслях, включая автомобильную промышленность, энергетику, промышленность, транспорт и домашнее использование.

Таблица сравнения тепловых двигателей

Тип теплового двигателя	Описание	Преимущества	Недостатки	Применение
Двигатель внутреннего сгорания	Использует сжатый воздух и топливо для создания движения поршня	Высокая эффективность, высокий крутящий момент, широкий спектр применения	Высокий уровень выбросов, требует топливо и смазку	Автомобили, генераторы электроэнергии
Паровой двигатель	Использует пар для создания движения поршня или турбины	Высокая эффективность, низкий уровень выбросов, работает на различных видах топлива	Требует большого количества воды, длительное время разогрева	Паровозы, электростанции
Газовая турбина	Использует газовый поток для приведения в движение турбины	Высокая мощность, компактный размер, быстрый запуск	Высокая стоимость, низкая эффективность при низкой нагрузке	Самолеты, электростанции

Заключение

Тепловые двигатели являются важной частью современной техники и играют ключевую роль в преобразовании тепловой энергии в механическую работу. Они используются в различных областях, включая автомобильную промышленность, энергетику и производство. Тепловые двигатели имеют свои преимущества и недостатки, и выбор конкретного типа зависит от требований и условий эксплуатации. Важно понимать принцип работы тепловых двигателей и их основные свойства для эффективного использования и развития новых технологий.