Avtoargon.ru

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

Что является нагревателем рабочим телом и холодильником в дизельном двигателе

Что является нагревателем рабочим телом и холодильником в дизельном двигателе

§ 5. Тепловые машины.

1. Тепловые двигатели.
Тепловые двигатели превращают часть внутренней энергии системы в механическую и за счет нее совершают механическую работу.
Для работы теплового двигателя необходимо наличие трех тел: нагревателя, рабочего тела и холодильника (рис. 5.1).
Тепловой двигатель работает циклично. Получив от нагревателя некоторое количество теплоты Q1, рабочее тело, расширяясь, совершает механическую работу A, затем возвращается в исходное состояние – сжимается, при этом неизрасходованную часть теплоты Q2 оно отдает холодильнику.


Рис. 5.1.

Работа за один цикл равна:
A = Q1 – Q2,
а к.п.д. теплового двигателя вычисляется по формуле:

У первых паровых машин к.п.д. не превышал 10–15%. К.п.д. современных паровых турбин, используемых на электростанциях, близок к 25%, а у газовых турбин он достигает 50%. Двигатели внутреннего сгорания имеют к.п.д. 40–45%, а у турбореактивных двигателей он равен 60–70%.
Невозможно создать тепловую машину, которая всю теплоту, полученную от нагревателя, превращала бы в механическую работу.
Это альтернативная формулировка второго начала термодинамики.

2. Холодильные установки.
Холодильные установки (тепловые насосы) перекачивают теплоту от «холодного» тела к нагретому за счет механической работы.
Поскольку теплота в таком направлении самопроизвольно передаваться не может, то холодильные установки работают на энергии внешнего источника. Расширяясь, рабочее тело отбирает у холодного тела некоторое количество теплоты Q2, затем за счет механической работы A происходит сжатие рабочего тела при более высокой температуре, при этом нагретому телу передается количество теплоты Q1 (рис. 5.2).


Рис 5.2.

Количество теплоты, отбираемое у холодного тела, равно:
Q2 = Q1 – A,
а эффективность работы холодильной установки определяется холодильным коэффициентом:

Тепловой насос (холодильная установка) может быть использован и в качестве отопительной машины. Принцип действия в этом случае остается прежним – теплота перекачивается из «холодной» окружающей среды в отапливаемое помещение за счет механической работы. Эффективность работы отопительной машины определяется отопительным коэффициентом:

На рис. 5.3 изображено устройство агрегата бытового холодильника. Агрегат состоит из компрессора 2, конденсатора 1, крана 4 и испарителя 3.


Рис. 5.3.

Газообразный фреон с помощью компрессора, работающего от электродвигателя, сжимается в конденсаторе и переходит в жидкое состояние. При сжатии он рассеивает теплоту в окружающую среду. Через автоматически открывающийся клапан жидкий фреон поступает в испаритель. Переходя при низком давлении переходит в газообразное состояние, фреон сильно охлаждается и забирает теплоту от морозильной камеры.

3. Рабочий цикл двигателя внутреннего сгорания.


Рис. 5.4.

Работа двигателя внутреннего сгорания состоит из четырех тактов (рис 5.4):
I такт – впуск. Открывается впускной клапан 1, и поршень 2, двигаясь вниз, засасывает в цилиндр горючую смесь из карбюратора.
II такт – сжатие. Впускной клапан закрывается, и поршень, двигаясь вверх, сжимает горючую смесь, которая при сжатии нагревается.
III такт – рабочий ход (сгорание). Когда поршень достигает верхнего положения (при быстром ходе двигателя несколько раньше), смесь поджигается электрической искрой, вырабатываемой свечой. Сила давления газов – раскаленных продуктов сгорания горючей смеси – толкает поршень вниз. Движение поршня передается коленчатому валу, и этим совершается полезная работа. Производя работу и расширяясь, продукты сгорания охлаждаются, и давление их падает (к концу такта почти до атмосферного).
IV такт – выпуск (выхлоп). Открывается выпускной клапан 3, и отработанные продукты горения выбрасываются сквозь глушитель в атмосферу.
Поскольку из четырех тактов только один, третий, является рабочим, на автомобилях с целью получения равномерной работы двигателя ставится четыре, шесть и более цилиндров, установленных на общем валу так, что при каждом такте по крайней мере один из цилиндров совершает рабочий ход.
Более экономичным является дизельный двигатель, работающий на дешевых сортах топлива. В его цилиндр всасывается не горючая смесь, а атмосферный воздух. Производится 11–12-кратное сжатие воздуха , при этом температура поднимается до 600 –700 °C. В начале третьего такта с помощью форсунки, работающей от сжатого воздуха, в цилиндр впрыскивается топливо, которое из-за высокой температуры само воспламеняется. Горение здесь продолжается значительно дольше, чем в карбюраторном двигателе.


Рис. 5.5.

Физика. Принцип действия тепловой и холодильной машин. Цикл Карно. Явления переноса.

Потребность использования механической энергии на производстве привело к появлению тепловых машин.

Тепловой двигатель – устройство, преобразующее внутреннюю энергию сгоревшего топлива в механическую энергию. Виды тепловых двигателей: 1) двигатели внутреннего сгорания: а) дизельные, б) карбюраторные; 2) паровые двигатели; 3) турбины: а) газовые, б) паровые.

Все названые тепловые двигатели имеют разную конструкцию, но состоят из трех основных частей: нагревателя, рабочего тела и холодильника. Нагреватель обеспечивает поступление теплоты в двигатель. Рабочее тело превращает часть полученной теплоты в механическую работу. Холодильник забирает от рабочего тела часть теплоты.

T1 – температура нагревателя;

T2 –температура холодильника;

Q1 – теплота, полученная от нагревателя;

Q2 – теплота, отданная холодильнику;

A’ – работа, выполненная двигателем.

Работа любого теплового двигателя состоит из повторяющихся циклических процессов – циклов. Цикл – это такая последовательность термодинамических процессов, в результате которых система возвращается в начальное состояние.

Читать еще:  Что такое тормоз двигателя на ман тга

Коэффициент полезного действия (КПД) тепловой машины – это отношение совершенной двигателем работы к количеству теплоты, полученному от нагревателя: .

Устройство тепловых машин

Тепловая машина (тепловой двигатель) — устройство для преобразования внутренней энергии в механическую. Любая тепловая машина имеет нагреватель, рабочее тело (газ или пар), которое в результате нагрева выполняет работу (приводит во вращение вал турбины, двигает поршень и так далее) и холодильник.

Основы действия тепловых двигателей

Каждая тепловая машина функционирует благодаря двигателю. Для выполнения работы ему нужно, чтобы по ту и другую сторону поршня двигателя или лопастей турбины была разность давлений. Достигается эта разность во всех тепловых двигателях так: температура рабочего тела повышается на сотни или тысячи градусов в сравнении с температурой окружающей среды. В газовых турбинах и в двигателях внутреннего сгорания (ДВС) происходит повышение температуры за счет того, что топливо сгорает внутри самого двигателя. Холодильником может выступать атмосфера или специального назначения устройства для конденсации и охлаждения отработанного пара.

Французский инженер Сади Карно рассмотрел идеальную тепловую машину с идеальным газом в качестве рабочего тела. Он нашел оптимальный идеальный цикл теплового двигателя, состоящий из двух изотермических и двух адиабатических обратимых процессов – цикл Карно. КПД такой тепловой машины с нагревателем при температуре и холодильником при температуре : . Независимо от конструкции, выбора рабочего тела и типа процессов в тепловом двигателе его КПД не может быть больше КПД теплового двигателя, работающего по циклу Карно, и имеющего те же, что и у данного теплового двигателя, температуру нагревателя и холодильника.

КПД тепловых двигателей невысок, поэтому важнейшей технической задачей является его повышение. Тепловые двигатели имеют два существенных недостатка. Во-первых, в большинстве тепловых двигателей используется органическое топливо, добыча которого быстро истощает ресурсы планеты. Во-вторых, в результате сгорания топлива в окружающую среду выбрасывается огромное количество вредных веществ, что создает значительные экологические проблемы.

Цикл Карно

Цикл (круговой процесс) — совокупность изменений состояния газа, в результате которых он возвращается в исходное состояние (может выполнять работу). В 1824 году французский физик Сади Карно показал, что выгодным является цикл тепловой машины (цикл Карно), который состоит из двух процессов — изотермического и адиабатного. На рисунке ниже изображен график цикла Карно: 1-2 и 3-4 — изотермы, 2-3 и 4-1 — адиабаты. В соответствии с законом сохранения энергии работа тепловых машин, которую выполняет двигатель, равна: А = Q1– Q2, где Q1 — количество теплоты, которое получено от нагревателя, а Q2 — количество теплоты, которое предано холодильнику.

КПД тепловой машины называется отношение работы А, которую выполняет двигатель, к количеству теплоты, которое получено от нагревателя: η = А/Q =(Q1– Q2)/Q1 = 1 — Q2/Q1. В работе «Мысли о движущей силе огня и о машинах, которые способны развивать эту силу» (1824) Карно описал тепловую машину под названием «идеальная тепловая машина с идеальным газом, который представляет собой рабочее тело». Благодаря законам термодинамики можно вычислить КПД (максимально возможный) теплового двигателя с нагревателем, который имеет температуру Т1, и холодильником с температурой Т2.

Тепловая машина Карно имеет КПД: ηmax = (T1 – T2)/T1 = 1 – T2/T1. Сади Карно доказал, что какая угодно тепловая машина реальная, которая работает с нагревателем с температурой Т1 и холодильником с температурой Т2 не способна иметь КПД, который бы превышал КПД тепловой машины (идеальной). Двигатель внутреннего сгорания (ДВС) Четырехтактный ДВС состоит из одного или нескольких цилиндров, поршня, кривошипно-шатунного механизма, впускного и выпускного клапанов, свечи. Рабочий цикл состоит из четырех тактов:

1) засасывания — горючая смесь попадает через клапан в цилиндр; 2) сжатия — оба клапана закрыты; 3) рабочий ход — взрывное сгорание горючей смеси; 4) выхлоп — выпуск отработанных газов в атмосферу. Паровая турбина В паровой турбине преобразование энергии происходит за счет разницы давлений водяного пара на входе и выходе. Мощности современных паровых турбин достигают 1300 МВт. Некоторые технические параметры паровой турбины мощностью 1200 МВт Давление пара (свежего) — 23,5 МПа. Температура пара — 540 °С. Расход пара турбиной — 3600 т/ч. Частота вращения ротора — 3000 об/мин. Давление пара в конденсаторе — 3,6 кПа. Длина турбины — 47,9 м. Масса турбины — 1900 т.

Тепловая машина состоит из воздушного компрессора, камеры сгорания и газовой турбины. Принцип работы: воздух адиабатно засасывается в компрессор, поэтому его температура повышается до 200 °С и более. Далее сжатый воздух попадает в камеру сгорания, куда одновременно под большим давлением поступает жидкое топливо — керосин, фотоген, мазут. При сгорании топлива воздух нагревается до температуры 1500-2000 °С, расширяется, и скорость его движения растет. Воздух движется с большой скоростью, и продукты сгорания направляются в турбину. После перехода от ступени к ступени продукты сгорания отдают лопастям турбины свою кинетическую энергию. Часть энергии, полученной турбиной, идет на вращение компрессора; оставшаяся часть расходуется на вращение ротора электрогенератора, винта самолета или морского судна, колес автомобиля. Газовую турбину можно использовать, кроме вращения колес автомобиля и винтов самолета или теплохода, в качестве реактивного двигателя. Воздух и продукты сгорания с большой скоростью выбрасываются из газовой турбины, поэтому реактивная тяга, которая возникает при этом процессе, может использоваться для хода воздушных (самолет) и водных (теплоход) судов, железнодорожного транспорта. Например, турбовинтовые двигатели имеют самолеты Ан-24, Ан-124 («Руслан»), Ан-225 («Мечта»). Так, «Мечта» при скорости полета 700-850 км/ч способна перевозить 250 тонн груза на расстояние почти 15 000 км. Это крупнейший транспортный самолет в мире.

Читать еще:  Что показывает щуп масла двигателя

Экологические проблемы тепловых машин

Большое влияние на климат имеет состояние атмосферы, в частности наличие углекислого газа и водяного пара. Так, изменение содержания углекислого газа приводит к усилению или ослаблению парникового эффекта, при котором углекислый газ частично поглощает тепло, которое Земля излучает в космос, задерживает его в атмосфере и повышает тем самым температуру поверхности и нижних слоев атмосферы. Явление парникового эффекта играет решающую роль в смягчении климата. При его отсутствии средняя температура планеты была бы не +15 °С, а ниже на 30-40 °С. Сейчас в мире существует более 300 млн различного вида автомобилей, которые создают более половины всех загрязнений атмосферы. За 1 год в атмосферу из тепловых электростанций в результате сжигания топлива выделяется 150 млн тонн оксидов серы, 50 млн тонн оксида азота, 50 млн тонн золы, 200 млн тонн оксида углерода, 3 млн тонн феона.

В состав атмосферы входит озон, который защищает все живое на земле от губительного воздействия ультрафиолетовых лучей. В 1982 году Дж. Фарманом, английским исследователем, над Антарктидой была открыта озоновая дыра — временное снижение содержания озона в атмосфере. В момент максимального развития озоновой дыры 7 октября 1987 количество озона в ней уменьшилось в 2 раза. Озоновая дыра, вероятно, возникла в результате антропогенных факторов, в том числе использования в промышленности хлорсодержащих хладонов (фреонов), которые разрушают озоновый слой. Однако исследования 1990 гг. не подтвердили эту точку зрения. Скорее всего, появление озоновой дыры не связано с деятельностью человека и является естественным процессом. В 1992 году и над Арктикой была открыта озоновая дыра. Если весь атмосферный озон собрать в слой у поверхности Земли и сгустить его к плотности воздуха при нормальном атмосферном давлении и температуре 0 °С, то толщина озонового щита будет всего лишь 2-3 мм! Вот и весь щит.

Немного из истории.

Июль 1769 года. В парижском парке Медоне военный инженер Н. Ж. Кюньйо на «огненной телеге», которая была оснащена двухцилиндровым паровым двигателем, проехал несколько десятков метров. 1885 год. Карл Бенц, немецкий инженер, построил первый бензиновый четырехтактный трехколесный автомобиль Motorwagen мощностью 0,66 кВт, на который 29 января 1886 года получил патент. Скорость машины достигала 15-18 км/ч. 1891 год. Готлиб Даймлер, немецкий изобретатель, изготовил грузовую тележку с двигателем мощностью 2,9 кВт (4 лошадиные силы) от легкового автомобиля. Максимальная скорость автомобиля достигала 10 км/ч, грузоподъемность в различных моделях составляла от 2 до 5 тонн. 1899 год. Бельгиец К. Женатци на своем автомобиле «Жаме Контант» («Всегда недовольная») впервые преодолел 100-километровый рубеж скорости.

Примеры решения задач

Задача 1. Температуру нагревателя идеальная тепловая машина имеет равную 2000 К, а температуру холодильника — 100 °С. Определить КПД. Решение: Формула, которая определяет КПД тепловой машины (максимальный): ŋ = Т1-Т2/Т1. ŋ = (2000К — 373К) / 2000 К = 0,81. Ответ: КПД двигателя — 81 %.

Задача 2. В тепловом двигателе при сгорании топлива было получено 200 кДж теплоты, а холодильнику передано 120 кДж теплоты. Каков КПД двигателя? Решение: Формула для определения КПД имеет такой вид: ŋ = Q1 — Q2 / Q1. ŋ = (2·105 Дж — 1,2·105 Дж) / 2·105 Дж = 0,4. Ответ: КПД теплового двигателя — 40 %.

Задача 3. Каков КПД тепловой машины, если рабочее тело после получения от нагревателя количества теплоты 1,6 МДж выполнило работу 400 кДж? Какое количество теплоты было передано холодильнику? Решение: КПД можно определить по формуле ŋ = А / Q1. ŋ = 0,4·106 Дж / 1,6·106 Дж = 0,25. Переданное холодильнику количество теплоты можно определить по формуле Q1 — А = Q2. Q2 = 1,6·106 Дж — 0,4·106 Дж = 1,2·106 Дж. Ответ: тепловая машина имеет КПД 25 %; переданное холодильнику количество теплоты — 1,2·106 Дж.

Физические величины и их единицы измерения:

Альтернативная энергия Альтернативная энергетика, возобновляемые источники энергии, энергетические ресурсы планеты.

Предлагается на всеобщее обсуждение проект соединения теплового насоса и теплового двигателя. В этом преобразователе рассеянного тепла в работу используется соединённые вместе тепловой насос и тепловой двигатель, работающие при одинаковых температурах. В тепловом насосе используется труднокипящее рабочее тело (например аммиак), а в тепловом двигателе используется легкокипящее рабочее тело (например фреон).

Объяснение работы монотермического двигателя базируется на незыблемости законов физики и особенно 1-го и 2-го закона термодинамики. Никакие отступления не допускаются.

Читать еще:  Что покажет приборная панель при перегреве двигателя

Всем известно, что соединять тепловой насос и тепловой двигатель бессмысленно. Выигрыша в энергии не получим. Такое утверждение справедливо для газовых процессов. Для тепловых машин где используется фазовое превращение вещества картина кардинально меняется. Поэтому рассмотрим этот случай.

Имеем термодинамическую схему, соединённые вместе две одинаковые тепловые машины с изменением агрегатного состояния рабочего тела жидкость-газ (Ж-Г). Слева одна машина работает как тепловой насос, справа как тепловой двигатель. Так как тепловые машины одинаковы но работают противоположно друг другу, то согласно законам термодинамики сколько энергии расходуется тепловым насосом(слева W1) столько и отводится в тепловом двигателе (справа W1), сколько работы затрачивается на перенос тепла в тепловом насосе (слева А1) столько и получаем работы в тепловом двигателе (справа А1).

Поменяем рабочее тело теплового насоса. В обеих тепловых машинах используется изменение агрегатного состояния рабочего тела (испарение и конденсация), которые характеризуются теплотой парообразования. Значение величины теплоты парообразования законам газовой термодинамики не подчиняется и является для каждого конкретного вещества табличной величиной. Возьмем рабочее тело для теплового насоса с теплотой парообразования большей ,чем тепловом двигателе (справа) допустим в два раза и проанализируем.

Теперь для испарения такого же количества рабочего тела надо в два раза больше энергии 2W1, но для сжатия образовавшегося газа работу надо приложить такую же, как и раньше А1. Энергия, которая передаётся тепловому двигателю равна 2W1+ А1. Как видим передаваемая энергия увеличилась менее чем в два раза, в n раз ( где n равно отношению 2W1+ А1 к W1+ А1).

Так как тепловой двигатель оставлен прежним, то соответственно полученная работа и отвод тепла увеличились в n раз (nA1 и nW1), где 1 Примерная конструкция монотермического двигателя

Тема на форуме для обсуждения данного материала — Монотермический двигатель.

15. Тепловой двигатель. Цикл Карно и его кпд.

Тепловой двигатель — двигатель, в котором происходит превращение внутренней энергии топлива, которое сгорает, в механическую работу.

Любой тепловой двигатель состоит из трех основных частей: нагревателя, рабочего тела (газ, жидкость и др.) и холодильника. В основе работы двигателя лежит циклический процесс (это процесс, в результате которого система возвращается в исходное состояние).

В тепловых двигателях стремятся достигнуть наиболее полного превращения тепловой энергии в механическую. Максимальное КПД.

На рисунке изображены циклы, используемые в бензиновом карбюраторном двигателе и в дизельном двигателе. В обоих случаях рабочим телом является смесь паров бензина или дизельного топлива с воздухом. Цикл карбюраторного двигателя внутреннего сгорания состоит из двух изохор (1–2, 3–4) и двух адиабат (2–3, 4–1). Дизельный двигатель внутреннего сгорания работает по циклу, состоящему из двух адиабат (1–2, 3–4), одной изобары (2–3) и одной изохоры (4–1). Реальный коэффициент полезного действия у карбюраторного двигателя порядка 30%, у дизельного двигателя – порядка 40 %.

Французский физик С.Карно разработал работу идеального теплового двигателя. Рабочую часть двигателя Карно можно представить себе в виде поршня в заполненном газом цилиндре. Поскольку двигатель Карно — машина чисто теоретическая, то есть идеальная, силы трения между поршнем и цилиндром и тепловые потери считаются равными нулю. Механическая работа максимальна, если рабочее тело выполняет цикл, состоящий из двух изотерм и двух адиабат. Этот цикл называют циклом Карно.

участок 1-2: газ получает от нагревателя количество теплоты Q1 и изотермически расширяется при температуре T1

участок 2-3: газ адиабатически расширяется, температура снижается до температуры холодильника T2

участок 3-4: газ экзотермически сжимается, при этом он отдает холодильнику количество теплоты Q2

участок 4-1: газ сжимается адиабатически до тех пор, пока его температура не повысится до T1.

Работа, которую выполняет рабочее тело — площадь полученной фигуры 1234.

Функционирует такой двигатель следующим образом:

1. Сначала цилиндр вступает в контакт с горячим резервуаром, и идеальный газ расширяется при постоянной температуре. На этой фазе газ получает от горячего резервуара некое количество тепла.

2. Затем цилиндр окружается идеальной теплоизоляцией, за счет чего количество тепла, имеющееся у газа, сохраняется, и газ продолжает расширяться, пока его температура не упадет до температуры холодного теплового резервуара.

3. На третьей фазе теплоизоляция снимается, и газ в цилиндре, будучи в контакте с холодным резервуаром, сжимается, отдавая при этом часть тепла холодному резервуару.

4. Когда сжатие достигает определенной точки, цилиндр снова окружается теплоизоляцией, и газ сжимается за счет поднятия поршня до тех пор, пока его температура не сравняется с температурой горячего резервуара. После этого теплоизоляция удаляется и цикл повторяется вновь с первой фазы.

КПД цикла Карно не зависит от вида рабочего тела

для холодильной машины

В реальных тепловых двигателях нельзя создать условия, при которых их рабочий цикл был бы циклом Карно. Так как процессы в них происходят быстрее, чем это необходимо для изотермического процесса, и в то же время не настолько быстрые, чтоб быть адиабатическими.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector