Avtoargon.ru

АвтоАргон
3 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Что такое тепловой двигатель история создания теплового двигателя

Разделы

Другое

История

PO4EMU.RU / История / Техника.

В древности люди приводили в действие простейшие механизмы руками или с помощью животных.

Затем они научились использовать силу ветра, плавая на парусных кораблях. Они научились так же использовать ветер для вращения ветряных мельниц, перемалывающих зерно в муку. Позже они стали применять энергию течения воды в реках для вращения водяных колес. Эти колеса перекачивали и поднимали воду или приводили в действие различные механизмы.

История появления тепловых двигателей уходит в далекое прошлое. Говорят, еще две с лишним тысячи лет назад, в III веке до нашей эры, великий греческий механик и математик Архимед построил пушку, которая стреляла с помощью пара.

Как же стреляла эта пушка? Один конец ствола сильно нагревали на огне. Затем в нагретую часть ствола наливали воду. Вода мгновенно испарялась и превращалась в пар. Пар, расширяясь, с силой и грохотом выбрасывал ядро. Для нас интересно здесь то, что ствол пушки представлял собой цилиндр, по которому как поршень скользило ядро.

Примерно тремя столетиями позже в Александрии — культурном и богатом городе на африканском побережье Средиземного моря — жил и работал выдающийся ученый Герон, которого историки называют Героном Александрийским.

Герон оставил несколько сочинений, дошедших до нас, в которых он описал различные машины, приборы, механизмы, известные в те времена. В сочинениях Герона есть описание интересного прибора, который сейчас называют Героновым шаром.

Он представляет собой полый железный шар, закрепленный так, что может вращаться вокруг горизонтальной оси. Из закрытого котла с кипящей водой пар по трубке поступает в шар, из шара он вырывается наружу через, изогнутые трубки, при этом шар приходит во вращение. Внутренняя энергия пара превращается в механическую энергию вращения шара. Геронов шар — это прообраз современных реактивных двигателей.

В то время изобретение Герона не нашло применения и осталось только забавой. Прошло 15 столетий.

Во времена нового расцвета науки и техники, наступившего после периода средневековья, об использовании внутренней энергии пара задумывается Леонардо да Винчи. В его рукописях есть несколько рисунков с изображением цилиндра и поршня. Под поршнем в цилиндре находится вода, а сам цилиндр подогревается. Леонардо да Винчи предполагал, что образовавшийся в результате нагрева воды пар, расширяясь и увеличиваясь в объеме, будет искать выход и толкать поршень вверх. Во время своего движения вверх поршень мог бы совершать полезную работу.

Несколько иначе представлял себе двигатель, использующий энергию пара, Джованни Бранка, живший на век позже великого Леонардо. Это было колесо с лопатками, в которое с силой ударяла струя пара, благодаря чему колесо начинало вращаться. По существу, это была первая паровая турбина.

В XVII-XVIII веках над изобретением паровой машины трудились англичане Томас Севери (1650-1715) и Томас Ньюкомен (1663-1729), француз Дени Папен (1647-1714), русский ученый Иван Иванович Ползунов (1728-1766) и многие другие.

Папен построил цилиндр, в котором вверх и вниз свободно перемёщался поршень. Поршень был связан тросом, перекинутым через блок, с грузом, который вслед за поршнем также поднимался и опускался. По мысли Папена, поршень можно было связать с какой-либо машиной, например водяным насосом, который стал бы качать воду. В нижнюю откидывающуюся часть цилиндра насыпали порох, который затем поджигали.

Образовавшиеся газы, стремясь расшириться, толкали поршень вверх.

После этого цилиндр и поршень с наружной стороны обливали холодной водой. Газы в цилиндре охлаждались, и их давление на поршень уменьшалось. Поршень под действием собственного веса и наружного атмосферного давления опускался вниз, поднимая при этом груз. Двигатель совершал полезную работу. Для практических целей он не годился: слишком уж сложен был технологический цикл его работы (засыпка и поджигание пороха, обливание водой, и это на протяжении всей работы двигателя!).

Кроме того, применение подобного двигателя было далеко не безопасным.

Однако нельзя не усмотреть в первой машине Папена черты современного двигателя внутреннего сгорания.

В своем новом двигателе Папен вместо пороха использовал воду. Ее наливали в цилиндр под поршень, а сам цилиндр разогревали снизу. Образующийся пар поднимал поршень.

Затем цилиндр охлаждали, и находящийся в нем пар конденсировался — снова превращался в воду. Поршень, как и в случае порохового двигателя, под действием своего веса и атмосферного давления опускался вниз. Этот двигатель работал лучше, чем пороховой, но для серьезного практического использования был также малопригоден: нужно было подводить и отводить огонь, подавать охлажденную воду, ждать, пока пар сконденсируется, перекрывать воду и т.п.

Все эти недостатки были связаны с тем, что приготовление пара, необходимого для работы двигателя, происходило в самом цилиндре

А что если в цилиндр впускать уже готовый пар, полученный, например, в отдельном котле? Тогда достаточно было бы попеременно впускать в цилиндр то пар, то охлажденную воду, и двигатель работал бы с большей скоростью и меньшим потреблением топлива.

Об этом догадался современник Дени Папена англичанин Томас Севери, построивший паровой насос для откачки воды из шахты. В его машине приготовление пара происходило вне цилиндра — в котле.

Вслед за Севери паровую машину (также приспособленную для откачивания воды из шахты) сконструировал английский кузнец Томас Ньюкомен. Он умело использовал многое из того, что было придумано до него. Ньюкомен взял цилиндр с поршнем Папена, но пар для подъема поршня получал, как и Севери, в отдельном котле.

Машина Ньюкомена, как и все ее предшественницы, работала прерывисто — между двумя рабочими ходами поршня была пауза. Высотой она была с четырех-пятиэтажный дом и, следовательно, исключительно «прожорлива»: пятьдесят лошадей еле-еле успевали подвозить ей топливо. Обслуживающий персонал состоял из двух человек: кочегар непрерывно подбрасывал уголь в «ненасытную пасть» топки, а механик управлял кранами, впускающими пар и холодную воду в цилиндр.

Понадобилось еще 50 лет, прежде чем был построен универсальный паровой двигатель. Это произошло в России, на одной из отдаленных ее окраин — Алтае, где в то время работал гениальный русский изобретатель, солдатский сын Иван Ползунов.

Ползунов построил свою «огнедействующую машину» на одном из барнаульских заводов.

Это изобретение было делом его жизни и, можно сказать, стоило ему жизни. В апреле 1763 года Ползунов заканчивает расчеты и подает проект на рассмотрение. В отличие от паровых насосов Севери и Ньюкомена, о которых Ползунов знал, и недостатки которых ясно осознавал, это был проект универсальной машины непрерывного действия. Машина предназначалась для. воздуходувных мехов, нагнетающих воздух в плавильные печи.

Главной ее особенностью было то, что рабочий вал качался непрерывно, без холостых пауз.

Это достигалось тем, что Ползунов предусмотрел вместо одного цилиндра, как это было в машине Ньюкомена, два попеременно работающих. Пока в одном цилиндре поршень под действием пара поднимался вверх, в другом пар конденсировался, и поршень шел вниз. Оба поршня были связаны одним рабочим валом, который они поочередно поворачивали то в одну, то в другую стороны. Рабочий ход машины осуществлялся не за счет атмосферного давления, как у Ньюкомена, а благодаря работе пара в цилиндрах.

Весной 1766 года ученики Ползунова, спустя неделю после его смерти (он умер в 38 лет), испытали машину. Она работала в течение 43 суток и приводила в движение мехи трех плавильных печей. Потом котел дал течь; кожа, которой были обтянуты поршни (чтобы уменьшить зазор между стенкой цилиндра и поршнем), истерлась, и машина остановилась навсегда. Больше ею никто не занимался.

Читать еще:  Двигатель 406 причина выброса тосола из расширительного бачка

Создателем другого универсального парового двигателя, который получил широкое распространение, стал английский механик Джеймс Уатт (1736-1819).

Работая над усовершенствованием машины Ньюкомена, он в 1784 году построил двигатель, который годился для любых нужд. Изобретение Уатта было принято на ура. В наиболее развитых странах Европы ручной труд на фабриках и заводах все больше и больше заменялся работой машин. Универсальный двигатель стал необходим производству, и он был создан.

В двигателе Уатта применен так называемый кривошипно-шатунный механизм, преобразовывающий возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение колеса.

Уже потом было придумано «двойное действие» машины: направляя поочередно пар то под поршень, то сверху поршня, Уатт превратил оба его хода (вверх и вниз) в рабочие. Машина стала мощнее. Пар в верхнюю и нижнюю части цилиндра направлялся специальным парораспределительным механизмом, который впоследствии был усовершенствован и назван «золотником».

Затем Уатт пришел к выводу, что вовсе не обязательно все время, пока поршень движется, подавать в цилиндр пар. Достаточно впустить в цилиндр какую-то порцию пара и сообщить поршню движение, а дальше этот пар начнет расширяться и перемещать поршень в крайнее положение. Это сделало машину экономичней: меньше требовалось пара, меньше расходовалось топлива.

История создания тепловых двигателей

Практическая работа

Тема «История создания тепловых двигателей»
Студент __ курса группы __________

Практическая работа №1.
Тема: История создания тепловых двигателей
Время: 2 часа
Цели работы: изучение истории создания тепловых двигателей, достижений отечественных и зарубежных ученых, ознакомление с историей кафедры ТиТД (специальность ДВС) СибАДИ и ее научными достижениями.

Изучить историю создания тепловых двигателей, отметить достижения отечественных и зарубежных ученых, изучить историю кафедры ТиТД СибАДИ, структуру и состав кафедры, основные научные направления, развиваемые учеными кафедры.
Перечень оборудования: Учебные плакаты, учебная литература, макеты элементов двигателя.
Литература:

— В.Л.Роговцев «Устройство и эксплуатация автотранспортных средств»

— С.К Шестопалов «Устройство, техническое обслуживание и ремонт легковых автомобилей».

— С.М.Круглов «Все о легковом автомобиле»

-Ю.И. Боровских «Устройство, техническое обслуживание и ремонт автомобилей».

— Г.К.Мирзаев «Альбом Устройство и эксплуатация автомобилей ВАЗ 2108-2109».

История развития ДВС
Двигатели внутреннего сгорания (ДВС) вырабатывают более 60 % мощности, используемой человеком. Мощность – работа, выполненная за единицу времени. Мощность в современных двигателях изменяется от 1 до 70 000 кВт. Мощность 70 000 кВт имеет судовой двухтактный двигатель 12 К-98 МС фирмы МАN-BMW (Германия, Дания). Диаметр поршня равен 98 см, а ход поршня 266 см. Частота вращения коленчатого вала 90 мин–1, среднее эффективное давление 1,8 МПа (18 бар или атм) при массе 2200 тонн. Удельный расход топлива составляет 170 г/(квт×час). Двигатель данной марки устанавливают на судах-контейнеровозах.

ДВС используют на транспорте (речной, морской флот, тепловозы, грузовые и легковые автомобили), сельскохозяйственной технике (тракторы, комбайны), дорожной и строительной технике, в энергетике (стационарные и передвижные электростанции), нефтедобывающей и военной промышленности.

Первый паровой двигатель был создан в России в г. Барнауле в 1763 г. И.И. Ползуновым [6, 8]. В своих научных трактатах он писал «огонь слугою к машинам склонить, облегчить труд по нас грядущим».

В 1816 г. шотландский священник Роберт Стирлинг предложил конструкцию двигателя внешнего сгорания (топливо сгорает вне цилиндра).

В 1823 г. в России был пущен первый в мире завод по производству керосина в г. Моздоке.

В 1860 г. француз Ленуар изготовил первый двигатель внутреннего сгорания. Он был двухтактным, работал на светильном газе, без сжатия, имел КПД 5%.

В 1862 г. механик Николай Отто из Германии построил первый четырехтактный двигатель мощностью 1,5 кВт со сжатием газовоздушной смеси.

В 1886 г. Даймлер создал первый в истории автомобиль с четырехтактным двигателем мощностью 1,1 кВт при частоте вращения коленчатого вала 900 мин –1 .

В 1879 г. русским инженером Костовичем был спроектирован первый бензиновый двигатель мощностью 60 кВт.

В 1894 г. Рудольф Дизель продемонстрировал в работе первый двигатель с воспламенением от сжатия мощностью 2 кВт. В 1898 г. Россией был куплен патент Дизеля и конструкция двигателя была переработана на использовании сырой нефти.

В 1898 г. инженер Романов из Петербурга демонстрировал электромобиль с питанием от аккумуляторных батарей.

С 1902 г. завод Нобеля «Русский дизель» в России приступил к производству двухтактных двигателей с клапанно-щелевой продувкой.

В 1906 г. в Москве была создана первая кафедра ДВС, ныне МГТУ им. Н.Э. Баумана.

В 1916 г. в России строятся четыре автомобильных завода АМО (Автомобильное московское общество), «Руссо-Балт» в Филях, «Русский Рено» в Рыбинске и в Ярославле.

Значительная потребность в двигателях внутреннего сгорания проявилась в годы Великой Отечественной войны. Двигатели нужны были для автомобилей, самолетов, подводных лодок, танков.

В 1945 г. в СССР было выпущено 75 тысяч автомобилей. С 1941 по 1945 года танковая промышленность выпустила 100 тыс. боевых машин.

Автомобиль – источник прогресса, дает развитие всем сферам общества. Для дальнейшего совершенствования автомобилей и их двигателей требуются новые технологии, последние достижения науки и техники, высококвалифицированные кадры. Автомобиль не только средство передвижения, но и источник загрязнения атмосферы и представляет большую опасность для человека. Ежегодно в ДТП погибает до 30 тыс. жителей России.

В 1786–1790 гг. английскому механику Уатту удалось построить и приспособить паровую машину для непосредственного вращения вала. Он является автором регулятора частоты вращения. Суть изобретения заключается в том, что под действием центробежной силы грузы регулятора, при увеличении частоты вращения вала машины, расходятся и через подвижную втулку сжимают пружину. Подвижная втулка через рычаги связанна с органом регулирования, например, с дроссельной заслонкой карбюратора. С увеличением частоты вращения грузы расходятся и сдвигают втулку и заслонку в сторону уменьшения подачи топлива и наоборот. До конца XIX века паровые машины являлись практически единственными тепловыми двигателями, применявшимися в промышленности и на транспорте. Они были громоздки и малоэкономичны, но работали на любом виде топлива. Еще в начале XX века паровые машины использовали даже на автомобилях. Над совершенствованием паровых автомобилей работы продолжались и во второй половине прошлого столетия, продолжаются они и в наше время в связи с поисками возможностей замены нефтяных топлив. На смену паровым машинам пришли более совершенные двигатели – паровые турбины и ДВС.

Стационарные двигатели, работавшие на керосине и тяжелых топливах, появились в период 1884–1890 гг. Зажигание было калоризаторным (от нагретых шаровых поверхностей). В России их называли «нефтянками». В 1890 г. в Москве завод Брамлея (позже «Красный пролетарий») начат выпуск четырехтактных калоризаторных двигателей (воспламенение горючей смеси от нагретых шаровых тел).

В 1908 г. в России началось производство газовых двигателей на Коломенском, а затем на других заводах.

В 1892 г. Рудольф Дизель получил патент на двигатель внутреннего сгорания нового типа, рассчитанный на использование жидкого топлива (керосина). Двигатель работал на керосине, который впрыскивался в цилиндр при помощи сжатого в компрессоре воздуха. Изобретатель предложил нагревать воздух в цилиндре путём сжатия до температуры 400– 500 °С, при которой распыленное впрыскиваемое топливо могло бы самовоспламеняться и сгорать по мере поступления в цилиндр, причем по его замыслу двигатель должен был работать без охлаждения стенок цилиндра. Последующий опыт не подтвердил возможность создания в то время двигателя без охлаждения цилиндров, но идея самовоспламенения топлива оказалась перспективной.

В 1898 г. Г.B. Тринклер предложил заменить компрессорное распыливание топлива механическим. В течение 1899 г. двигатель Тринклера был построен и испытан на Путиловском заводе. Двигатель имел диаметр цилиндра 205 мм, ход поршня 350 мм, мощность 10 л. с. при частоте вращения вала 160 мин–1. Такие двигатели называли бескомпрессорными, так как топливо подавалось в камеру сгорания в распыленном виде при помощи насоса высокого давления и форсунки. Двигатель данной конструкции приводил в действие генератор, который служил для освещения зимнего дворца в Санкт-Петербурге.

Читать еще:  Двигатели на воде или что скрывают нефтяники

Двигатель с самовоспламенением смеси за счет сжатия, работающий на нефти, впервые был построен в 1899 г. на заводе Э. Нобеля в Петербурге.

В 1926 г. Созданы двигатели: «АМ» А.А. Микулина, «ВК» В.Я. Климова, «АШ» А. Д. Швецова.

В настоящее время в народном хозяйстве успешно используют газовые турбины, идея создания которых зародилась почти одновременно с первыми попытками создания поршневых двигателей внутреннего сгорания. Построена газовая турбина была только в 1897 г. По проекту русского инженера П. Д. Кузьминского. Газовые турбины широко используют в стационарных силовых установках, в авиации, на водном и железнодорожном транспорте. Созданы также экономичные газотурбинные двигатели для легковых и грузовых автомобилей.

В 60-е годы прошлого века настойчиво искали пути использования в качестве транспортного агрегата весьма компактного работоспособного роторно-поршневого ДВС или двигателя с вращающимся поршнем. Попытки создания простых по идее двигателей роторного типа предпринимались ещё в ХIХ веке, но успеха не имели из-за трудностей уплотнения зазоров между ротором и статором. Только в 1957 г. немецкому инженеру Ванкелю удалось создать работоспособный роторно-поршневой двигатель.

Профессор МВТУ В.И. Гриневецкий в 1906 г. создал методику теплового расчета двигателя, которая давала возможность определить основные размеры двигателя в соответствии с тепловыми процессами, протекающими в цилиндре. Дальнейшее уточнение и развитие методики теплового расчета провели Н.Р. Брилинг, Е.К. Мазинг, Б.С. Стечкин, А.С. Орлин.

Широкую известность получили комбинированные двигатели конструкции В.Я. Климова, В.А. Константинова, А.А. Микулина, А.Д. Чаромского, А.Д. Швецова, В.М. Яковлева.

Для дальнейшего повышения эффективности двигателей внутреннего сгорания в современной практике широко применяют комбинированные двигатели, в которых поршневой двигатель и газовая турбина работают на одном и том же рабочем теле, так как в газовой турбине продолжается расширение газов, вытекающих из поршневого двигателя, и энергия от них передается потребителю.

В сложившейся кризисной ситуации с моторными топливами усиленно осваивают транспортные варианты двигателей Стирлинга, работающих на любых топливах, так как камера сгорания их размещена вне цилиндров. В качестве топлива в ДВС используется водород. Созданы топливные элементы, в которых водород не сгорает, а при помощи химических реакций окисляется кислородом воздуха, и на аноде и катоде образуется напряжение, которое подается к электродвигателю, вращающему, например, колеса автомобиля.

В России известны следующие заводы по выпуску двигателей внутреннего сгорания:
1. Барнаул (Алтайский моторный завод «Алтайдизель» и Барнаултрансмаш, который выпускает двигатели для тракторов, комбайнов и военной техники).

2. Ярославль (Ярославский моторный завод «Автодизель» выпускает дизели мощностью 110-588 кВт для автомобилей, автобусов, тягочей, тракторов, комбайнов).

3. Заволжск (Заволжский моторный завод)

4. Набережные Челны (Камский моторный завод выпускает для автомобилей двигатели мощностью 170-260 кВт).

5. Тольятти (Волжский автомобильный завод – двигатели семейства ВАЗ).

6. Уфа (Уфимский моторный завод).

7. Челябинск (Челябинский тракторный завод выпускает двигатели для тракторов, тепловозов, автомобилей, судов).

8. Санкт-Петербург (завод «Звезда» выпускает двигатели для подводных лодок и судов).

9. Владимир (Владимирский тракторный завод выпускает двигатели с воздушным охлаждением для тракторов мощностью до 60 кВт).

10. Коломна (Коломенский завод выпускает дизели для тепловозов, судов и большегрузных автомобилей).

Тепловой двигатель

Термодинамика возникла как наука с основной задачей – созданием наиболее эффективных тепловых машин.

Тепловая машина или тепловой двигатель – это периодически действующий двигатель, совершающий работу за счет получения теплоты.

Обычно совершение работы в тепловом двигателе производится газом при его расширении. Газ, находящийся в нем, получил название рабочего тела. Зачастую его заменяют на воздух или водяные пары. Расширение газа происходит по причине повышения его температуры и давления.

Устройство, от которого рабочее тело получает тепло Q n , называю нагревателем.

Это понимается как расширение от объема V 1 к V 2 V 2 > V 1 , затем сжатие до первоначального объема. Чтобы значение совершаемой работы за цикл было больше нуля, необходимо температуру и давление увеличить и сделать больше, чем при его сжатии. То есть при расширении телу сообщается определенное количество теплоты, а при сжатии отнимается. Значит, кроме нагревателя тепловой двигатель должен иметь холодильник, которому рабочее тело может отдавать тепло.

Рабочее тело совершает работу циклично. Очевидно, изменение внутренней энергии газа в двигателе равняется нулю. Если при расширении от нагревателя к рабочему телу передается теплота в количестве Q n , то при сжатии Q ‘ c h теплота рабочего тела передается холодильнику по первому закону термодинамики, учитывая, что ∆ U = 0 , то значение работы газа в круговом процессе запишется как:

A = Q n — Q ‘ c h ( 1 ) .

Отсюда теплота Q ‘ c h ≠ 0 . Выгодность двигателя определяется по количеству выделенной и превращенной теплоты, полученной от нагревателя, в работу. Его эффективность характеризуется коэффициентом полезного действия (КПД), определяющимся как:

Запись уравнения ( 2 ) при учитывании ( 1 ) примет вид:

η = Q n — Q ‘ c h Q n ( 3 ) , КПД всегда.

Машина, отбирающая от тела с меньшей температурой определенное количество теплоты Q c h и отдающая его Q ‘ n телу с наиболее высокой температурой с Q ‘ n > Q c h , получила название холодильной машины.

Данная машина должна совершить работу A ‘ в течение цикла. Эффективность холодильной машины определяется по холодильному коэффициенту, вычисляемому:

a = Q ‘ n A ‘ = Q ‘ n Q ‘ n — Q c h ( 4 ) .

КПД необратимого теплового двигателя всегда меньше, чем работающего по обратимому циклу.

КПД теплового двигателя

Французским инженером Саади Карно была установлена зависимость КПД теплового двигателя от температуры нагревателя T n и холодильника T c h . Форма конструкции теплового двигателя и выбор рабочего тела не влияет на КПД идеальной тепловой машины:

η m a x = T n — T c h T n ( 5 ) .

Любой реальный тепловой двигатель может обладать КПД η ≤ η m a x .

Принцип работы теплового двигателя

Идеальная машина, модель которой разработал Карно, работает по обратимому циклу, состоящему из двух изотерм ( 1 — 2 , 4 — 3 ) и двух адиабат ( 2 — 3 , 4 — 1 ) , изображенная на рисунке 1 . В качестве рабочего тела выбран идеальный газ. Прохождение адиабатного процесса происходит без подвода и отвода тепла.

Участок 1 — 2 характеризуется сообщением рабочему телу от нагревателя с температурой T n количества тепла Q n . При изотермическом процессе запись примет вид:

Q n = T n ( S 2 — S 1 ) ( 6 ) , где S 1 , S 2 являются энтропиями в соответствующих точках цикла из рисунка 1 .

Видно, что участок 3 — 4 характеризуется отдачей тепла холодильнику с температурой T c h идеальным газом, причем количество теплоты равняется получению газом теплоты — Q c h , тогда:

— Q c h = T c h ( S 1 — S 2 ) ( 7 ) .

Выражение, записанное в скобках в ( 7 ) , указывает на приращение энтропии процесса 3 — 4 .

Принцип действия тепловых двигателей КПД

Произведем подстановку ( 6 ) , ( 7 ) в определение КПД теплового двигателя и получаем:

η = T n ( S 2 — S 1 ) + T c h ( S 1 — S 2 ) T n ( S 2 — S 1 ) = T n — T c h T n ( 8 ) .

В выведенном выражении ( 8 ) не выполнялось предположений о свойствах рабочего тела и устройстве теплового двигателя.

По уравнению ( 8 ) видно, что для увеличения КПД следует повышать T n и понижать T c h . Достижение значения абсолютного нуля невозможно, поэтому единственное решение для роста КПД – увеличение T n .

Задача по созданию теплового двигателя, совершающего работу без холодильника, очень интересна. В физике она получила название вечного двигателя второго рода. Такая задача не находится в противоречии с первым законом термодинамики. Данная проблема считается неразрешимой, как и создание вечного двигателя первого рода. Этот опытный факт в термодинамике приняли в качестве постулата – второго начала термодинамики.

Рассчитать КПД теплового двигателя с температурой нагревания 100 ° С и температурой холодильника, равной 0 ° С . Считать тепловую машину идеальной.

Читать еще:  Ваз двигатель после капремонта сколько ходит

Решение

Необходимо применение выражения для КПД теплового двигателя, которое записывается как:

η = T n — T c h T n .

Используя систему С И , получим:

T n + 100 ° C + 273 = 373 ( К ) . T c h = 0 ° C + 273 = 273 ( К ) .

Подставляем числовые значения и вычисляем:

η = 373 — 273 373 = 0 , 27 = 27 % .

Ответ: КПД теплового двигателя равняется 27 % .

Найти КПД цикла, представленного на рисунке 2 , если в его пределах объем идеального газа проходит изменения n раз. Считать рабочим веществом газ с показателем адиабаты γ .

Решение

Основная формула для вычисления КПД, необходимая для решения данной задачи:

η = Q n — Q ‘ n Q n ( 2 . 1 ) .

Получения тепла газом происходит во время процесса 1 — 2 Q 12 = Q n :

Q 12 = ∆ U 12 + A 12 ( 2 . 2 ) , где A 12 = 0 потому как является изохорным процессом. Отсюда следует:

Q 12 = ∆ U 12 = i 2 R T 2 — T 1 ( 2 . 3 ) .

Процесс, когда газ отдает тепло, обозначается как 3 — 4 , считается изохорным — Q 34 = Q ‘ c h . Формула примет вид:

Q 34 = ∆ U 34 = i 2 v R T 4 — T 3 ( 2 . 4 ) .

Адиабатные процессы проходят без подвода и отвода тепла.

Произведем подстановку полученных количеств теплоты в выражение для КПД, тогда:

η = i 2 v R T 2 — T 1 + i 2 v R T 4 — T 3 i 2 v R T 2 — T 1 = T 2 — T 1 + T 4 — T 3 T 2 — T 1 = 1 — T 3 — T 4 T 2 — T 1 ( 2 . 5 ) .

Следует применить уравнение для адиабаты процессу 2 — 3 :

T 2 V 1 γ — 1 = T 3 V 2 γ — 1 → T 2 = T 3 V 2 γ — 1 V 1 γ — 1 = T 3 n γ — 1 ( 2 . 6 ) .

Используем выражение для адиабаты процесса 4 — 1 :

T 1 V 1 γ — 1 = T 3 V 2 γ — 1 → T 1 = T 4 V 2 γ — 1 V 1 γ — 1 = T 4 n γ — 1 ( 2 . 7 ) .

Перейдем к нахождению разности температур T 2 — T 1 :

T 2 — T 1 = T 3 — T 4 n Г — 1 ( 2 . 8 ) .

Произведем подстановку из ( 2 . 8 ) в ( 2 . 5 ) :

η = 1 — T 3 — T 4 T 3 — T 4 n γ — 1 = 1 — 1 n γ — 1 = 1 — n 1 — γ ( 2 . 9 ) .

Ответ: КПД цикла равняется η = 1 — n 1 — Г .

Что такое тепловой двигатель история создания теплового двигателя

Тепловой двигатель – устройство преобразующее внутреннюю энергию топлива в механическую энергию. Основные части теплового двигателя: нагреватель, рабочее тело и холодильник. Чтобы получить полезную работу, необходимо сделать работу сжатия газа меньше работы расширения. Для этого нужно, чтобы каждому объёму при сжатии соответствовало меньшее давление, чем при расширении. Поэтому газ перед сжатием должен быть охлажден.
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 T1. 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 T1 температурой нагревателя.’

Рассмотрим это на примере идеальной тепловой машины.

Любая тепловая машина состоит из трех частей: теплоотдатчика, рабочего тела и теплоприемника. Теплоотдатчик имеет температуру Т1 и отдает некоторое количество теплоты Q1 рабочему телу. Рабочее тело (газ, пар, нагретая жидкость) совершает работу. Причем, не вся теплота Q1 превращается в работу, а только некоторая ее часть

Другая часть теплоты Q2 передается телу с более низкой температурой (Т2) – теплоприемнику. Таким образом, сущность работы тепловой машины заключается не только в получении теплоты Q1 от теплоотдатчика и совершении работы А, но и передаче некоторого количества теплоты Q2теплоприемнику, температура которого ниже чем температура теплоотдатчика (Т1 > Т2). Вечный двигатель второго рода состоит из первых двух частей, то есть, теплота Q1 полностью переходит в работу А, а это невозможно. Там, где нет перепада температур (Т1 = Т2), невозможно превратить теплоту в работу.

Чтобы получить математическое выражение второго начала термодинамики, рассматривают действие идеальной тепловой машины. Идеальной называют машину, которая работает без трения и потерь тепла. В ней рабочим телом является идеальный газ. Работа машины основана на принципе обратимого термодинамического цикла, называемого циклом Карно.

Цикл Карно состоит из четырех последовательно совершаемых процессов: изотермического расширения, адиабатического расширения, изотермического сжатия, адиабатического сжатия газа. Все процессы проводят обратимо, в результате чего газ возвращается в исходное положение.

В результате математических преобразований получают

(Q1 – Q2)/Q1 = (Т1 – Т2)/Т1 (4.9)

или h = А/Q1; h = (Т1 – Т2)/Т1 (4.10)

где h – коэффициент полезного действия (КПД) тепловой машины.

Установленный на валу ротор жестко соединён с зубчатым колесом, которое входит в зацепление с неподвижной шестерней. Ротор с зубчатым колесом как бы обкатывается вокруг шестерни. Его грани при этом скользят по эпитрохоидальной поверхности цилиндра и отсекают переменные объёмы камер в цилиндре.

Такая конструкция позволяет осуществить 4-тактный цикл без применения специального механизма газораспределения. Герметизация камер обеспечивается радиальными и торцевыми уплотнительными пластинами, прижимаемыми к цилиндру центробежными силами, давлением газа и ленточными пружинами.

Смесеобразование, зажигание, смазка, охлаждение, запуск принципиально такие же, как и у обычного поршневого двигателя внутреннего сгорания.

Практическое применение получили двигатели с трёхгранными роторами, с отношением радиусов шестерни и зубчатого колеса: r: R = 2: 3, которые устанавливают на автомобилях, лодках и т.п. Масса и габариты двигателя Ванкеля в 2-3 раза меньше соответствующих им по мощности двигателей внутреннего сгорания обычной схемы.

Воздух сначала поступает в цилиндр, сжимается и нагревается до высокой температуры. В раскаленный воздух с помощью форсунки впрыскивается самовоспламеняющееся и быстро сгорающее топливо, за счет чего мотор и начинает работать. Для таких двигателей необходимо специальное дизельное топливо. Из уроков физики все мы знаем, что тепловая энергия может преобразовываться в механическую. Именно это и происходит, когда в цилиндре двигателя сгорает топливо. Тепло, превращаясь в механическую работу, начинает двигать поршень, который в цилиндре двигается возвратно-поступательно. Коленчатый вал, связанный с поршнем при помощи шатуна, вращается.

Во время работы, поршень то приближается, то удаляется от коленчатого вала. Когда эти две детали сближаются, то в цилиндр поступает горючая смесь. При движении цилиндра в обратную сторону, в нем увеличивается давление. Сжатая горючая смесь в этот момент готова к сгоранию, едва стоит вспыхнуть искре, как смесь легко воспламеняется и выделяет газы, которые нужны для того, чтобы привести мотор в движение. Цилиндр соединен с трубопроводом, через который из двигателя выбрасываются отработанные газы.

Одно движение поршня к коленчатому валу или обратно называется ходом. Если за четыре хода поршня вал сделает два оборота вокруг своей оси, значит, закончился так называемый рабочий цикл. Двигатель, рабочий цикл которого совершается за два оборота коленчатого вала, называется четырехкратным. Существуют также и двукратные двигатели. Рабочий цикл у них совершается за два хода поршня и за один оборот коленчатого вала. В автомобильных моторах такие двигатели практически не применяются, зато их широко используют для мотоциклов.

Чем сильнее будет давление на поршень при сгорании горючей смеси, тем больше мощность двигателя. Поэтому выгодно увеличивать степень сжатия в двигателе. В этом случае из той же порции топлива получается больше полезной работы. Многие автолюбители пытаются самостоятельно отрегулировать двигатель так, чтобы расходовать меньше топлива, но при этом не терять мощности. Но увлекаться этим не следует, поскольку при сильном увеличении степени сжатия горючая смесь сгорает слишком быстро (этот процесс называется детонация), что вызывает неустойчивую работу двигателя. При этом в работающем двигателе слышен стук, мощность значительно снижается, а из глушителя идет черный дым.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector