Рис. 2.33. Холодильная машина
Показателем эффективности превращения энергии сгорающего топлива в механическую работу служит коэффициент полезного действия теплового двигателя.
КПД теплового двигателя это отношение механической работы A к количеству тепло-
ты Q1, поступившему от нагревателя:
= A : Q1
С учётом соотношения (2.12) имеем также
КПД теплового двигателя, как видим, всегда меньше единицы. Например, КПД паровых турбин приблизительно 25%, а КПД двигателей внутреннего сгорания около 40%.
Житейский опыт и физические эксперименты говорят нам о том, что в процессе теплообмена теплота передаётся от более нагретого тела к менее нагретому, но не наоборот. Никогда не наблюдаются процессы, в которых за счёт теплообмена энергия самопроизвольно переходит от холодного тела к горячему, в результате чего холодное тело ещё больше остывало бы, а горячее тело ещё больше нагревалось.
Ключевое слово здесь ¾самопроизвольно¿. Если использовать внешний источник энергии, то осуществить процесс передачи тепла от холодного тела к горячему оказывается вполне возможным. Это и делают холодильные машины.
По сравнению с тепловым двигателем процессы в холодильной машине имеют противоположное направление (рис. 2.33).
Рабочее тело холодильной машины называют также
хладагентом. Мы для простоты будем считать его газом,
A0
который поглощает теплоту при расширении и отдаёт при сжатии21.
Холодильник в холодильной машине это тело, от которого отводится теплота. Холодильник передаёт рабоче-
му телу (газу) количество теплоты Q2, в результате чего газ расширяется.
В ходе сжатия газ отдаёт теплоту Q1 более нагретому телу нагревателю. Чтобы такая теплопередача осуществлялась, надо сжимать газ при более высоких температурах, чем были при расширении. Это возможно лишь за счёт работы A0, совершаемой внешним источником (например, электродвигателем)22. Поэтому количество тепло-
ты, передаваемое нагревателю, оказывается больше количества теплоты, забираемого от холо-
дильника, как раз на величину A0:
Q1 = Q2 + A0:
21В реальных холодильных установках хладагент это летучий раствор с низкой температурой кипения, который забирает теплоту в процессе испарения и отдаёт при конденсации.
22В реальных холодильных агрегатах электродвигатель создаёт в испарителе низкое давление, в результате чего хладагент вскипает и забирает тепло; наоборот, в конденсаторе электродвигатель создаёт высокое давление, под которым хладагент конденсируется и отдаёт тепло.
studfiles.net
Тепловой двигатель – это периодически действующий двигатель, совершающий работу за счет полученной извне теплоты.
Термостатом называется термодинамическая система, которая может обмениваться теплотой с телами практически без изменения собственной температуры.
Рабочее тело – это тело, совершающее круговой процесс и обменивающееся энергией с другими телами.
Тепловой двигатель Холодильная машина
Принцип работы теплового двигателя от термостата с более высокой температурой T1, называемого нагревателем, за цикл отнимается количество теплоты Q1, а термостату с более низкой температурой T2, называемому холодильником, за цикл передается количество теплоты Q2, при этом совершается работа A = Q1-Q2. Термический КПД двигателя
Чтобы КПД был равен единице, необходимо, чтобы Q2 = 0, а это запрещено вторым началом термодинамики.
Процесс, обратный происходящему в тепловом двигателе, используется в холодильной машине: от термостата с более низкой температурой T2 за цикл отнимается количество теплоты Q2 и отдается термостату с более высокой температурой T1>T2. При этом 
или 
Количество теплоты Q1, отданное системой термостату T1, больше количества теплоты Q2, полученного от термостата T2, на величину работы, совершенной над системой.
Эффективность холодильной машины характеризует холодильный коэффициент h’ – отношение отнятого от термостата с более низкой температурой количества теплоты Q2 к работе A, которая затрачивается на приведение холодильной машины в действие:
Холодильные машины
Любой участок цикла Карно и весь цикл в целом может быть пройден в обоих направлениях. Обход цикла по часовой стрелке соответствует тепловому двигателю, когда полученное рабочим телом тепло частично превращается в полезную работу. Обход против часовой стрелки соответствует холодильной машине, когда некоторое количество теплоты отбирается от холодного резервуара и передается горячему резервуару за счет совершения внешней работы. Поэтому идеальное устройство, работающее по циклу Карно, называют обратимой тепловой машиной. В реальных холодильных машинах используются различные циклические процессы. Все холодильные циклы на диаграмме (p , V ) обходятся против часовой стрелки.
Устройство, работающее по холодильному циклу, может иметь двоякое предназначение. Если полезным эффектом является отбор некоторого количества тепла |Q 2 | от охлаждаемых тел (например, от продуктов в камере холодильника), то такое устройство является обычным холодильником. Эффективность работы холодильника можно охарактеризовать отношением
т. е. эффективность работы холодильника – это количество тепла, отбираемого от охлаждаемых тел на 1 джоуль затраченной работы. При таком определении βх может быть и больше, и меньше единицы. Для обращенного цикла Карно
Если полезным эффектом является передача некоторого количества тепла |Q 1 | нагреваемым телам (например, воздуху в помещении), то такое устройство называется тепловым насосом. Эффективность βТ теплового насоса может быть определена как отношение
т. е. количеством теплоты, передаваемым более теплым телам на 1 джоуль затраченной работы. Из первого закона термодинамики следует:
|Q 1 | > |A |,
Следовательно, βТ всегда больше единицы. Для обращенного цикла Карно
cyberpedia.su
Рис. 33. Холодильная машина
Показателем эффективности превращения энергии сгорающего топлива в механическую работу служит коэффициент полезного действия теплового двигателя.
КПД теплового двигателя это отношение механической работы A к количеству тепло-
ты Q1, поступившему от нагревателя:
= A : Q1
С учётом соотношения (12) имеем также
КПД теплового двигателя, как видим, всегда меньше единицы. Например, КПД паровых турбин приблизительно 25%, а КПД двигателей внутреннего сгорания около 40%.
Житейский опыт и физические эксперименты говорят нам о том, что в процессе теплообмена теплота передаётся от более нагретого тела к менее нагретому, но не наоборот. Никогда не наблюдаются процессы, в которых за счёт теплообмена энергия самопроизвольно переходит от холодного тела к горячему, в результате чего холодное тело ещё больше остывало бы, а горячее тело ещё больше нагревалось.
Ключевое слово здесь ¾самопроизвольно¿. Если использовать внешний источник энергии, то осуществить процесс передачи тепла от холодного тела к горячему оказывается вполне возможным. Это и делают холодильные машины.
По сравнению с тепловым двигателем процессы в холодильной машине имеют противоположное направление (рис. 33).
Рабочее тело холодильной машины называют также
хладагентом. Мы для простоты будем считать его газом,
A0
который поглощает теплоту при расширении и отдаёт при сжатии21.
Холодильник в холодильной машине это тело, от которого отводится теплота. Холодильник передаёт рабоче-
му телу (газу) количество теплоты Q2, в результате чего газ расширяется.
В ходе сжатия газ отдаёт теплоту Q1 более нагретому телу нагревателю. Чтобы такая теплопередача осуществлялась, надо сжимать газ при более высоких температурах, чем были при расширении. Это возможно лишь за счёт работы A0, совершаемой внешним источником (например, электродвигателем)22. Поэтому количество тепло-
ты, передаваемое нагревателю, оказывается больше количества теплоты, забираемого от холо-
дильника, как раз на величину A0:
Q1 = Q2 + A0:
21В реальных холодильных установках хладагент это летучий раствор с низкой температурой кипения, который забирает теплоту в процессе испарения и отдаёт при конденсации.
22В реальных холодильных агрегатах электродвигатель создаёт в испарителе низкое давление, в результате чего хладагент вскипает и забирает тепло; наоборот, в конденсаторе электродвигатель создаёт высокое давление, под которым хладагент конденсируется и отдаёт тепло.
studfiles.net
Циклы тепловых двигателей
Тепловые двигатели Машины, преобразующие внутреннюю энергию в механическую работу, называют тепловыми двигателями 2
Термодинамический цикл Круговой процесс на диаграмме (p, V). 3
Модель. Термодинамические циклы 4
Тепловой двигатель КПД теплового двигателя Энергетическая схема тепловой машины: 1 – нагреватель; 2 – холодильник; 3 – рабочее тело, совершающее круговой процесс. Кпд реальных двигателей: турбореактивный - 20 -30%; карбюраторный - 25 -30%, дизельный - 35 -45%. 5
Идеальная тепловая машина - машина Карно (Сади Карно, Франция, 1815) Машина работает на идеальном газе. 1 - 2 - при тепловом контакте с нагревателем газ расширяется изотермически. 2 -3 - газ расширяется адиабатно. После контакта с холодильником: 3 -4 - изотермическое сжатие. 4 -1 - адиабатное сжатие. КПД идеальной машины: Теорема Карно: кпд реальной тепловой машины не может быть больше кпд идеальной машины, работающей в том же интервале температур. 6
Модель. Цикл Карно 7
Карно Никола Леонард Сади (17961832 г. )- французский физик и инженер. Свои исследования он изложил в сочинении «размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу» . Он предложил идеальную тепловую машину.
ЦИКЛ КАРНО – САМЫЙ ЭФФЕКТИВНЫЙ ЦИКЛ, ИМЕЮЩИЙ МАКСИМАЛЬНЫЙ КПД. • 1 – 2 - изотермическое расширение. А₁₂ = Q₁ • 2 – 3 – адиабатное расширение А ₂₃ = - ∆U₂₃ • 3 – 4 - изотермическое сжатие A₃₄= A сж = Q₂ • 4 – 1 – адиабатное сжатие A₄₁= ∆U₄₁
• • • В 1824 году француз Сади Карно решил общую задачу об определении КПД любой тепловой машины, использующей произвольный цикл. Конкретный цикл, проанализированный Карно и названный его именем, выглядит следующим образом. Идеальный газ находится в цилиндре, закрытом поршнем. На первом этапе металлическая стенка цилиндра приводится в контакт с нагревателем. Поршню разрешается передвигаться настолько медленно, чтобы температура газа равнялась температуре нагревателя Т 1. Это изотермический процесс (рис. а). Полученное тепло Q 1 превращается в работу A 1, равную площади под графиком. На втором этапе цилиндр изолируется от нагревателя, и газ продолжает адиабатически расширяться, производя работу A 2 (заштрихованная площадь на рис. б). Поскольку притока тепла нет, работа совершается за счет внутренней энергии рабочего тела (газа) и его температура снижается от Т 1 до Т 2. Далее, для того, чтобы выдвинутый поршень вернуть в первоначальное положение, на третьем этапе цилиндр вводится в контакт с находящимся при низкой температуре радиатором. Количество отданной теплоты Q 2 будет равно совершенной над поршнем работе А 3 (заштрихованная площадь на рис. в). Газ при этом будет изотермически сжиматься при температуре Т 2. Последняя стадия - вновь адиабатический процесс, когда над поршнем совершается работа А 4, полностью переходящая во внутреннюю энергию газа. Его температура при этом повышается от Т 2 до Т 1 (рис. г).
ИСТОРИЯ СОЗДАНИЯ ТЕПЛОВОГО ДВИГАТЕЛЯ. 1690 – пароатмосферная машина Д. Папена 1705 - пароатмосферная машина Т. Ньюкомена для подъема воды из шахты 1763 -1766 – паровой двигатель И. И. Ползунова 1784 – паровой двигатель Дж. Уатта 1865 – двигатель внутреннего сгорания Н. Отто 1871 – холодильная машина К. Линде 1897 – двигатель внутреннего сгорания Р. Дизеля (с самовоспламенением)
Паровая машина Дэни Папена В 1698 году он построил паровую машину, используя пороховой двигатель, заменив порох водой.
Томас Ньюкомен и его паровая машина Пар из котла поступал в основание цилиндра и поднимал поршень вверх. При впрыскивании в цилиндр холодной воды пар конденсировался и под воздействием атмосферного давления поршень опускался вниз. После этого цикл повторялся. Машина Ньюкомена оказалась на редкость удачной и использовалась по всей Европе более 50 лет.
Джемс Уатт • УАТТ (Watt) Джеймс (1736 -1819), английский изобретатель. • Изобрел (1774 -84) паровую машину с цилиндром двойного действия. • Применение машины Уатта положило начало эре тепловых двигателей.
Джеймс Уатт В 1782 году Уатт создал первую универсальную паровую машину двойного действия. Пар поступал в цилиндр попеременно то с одной стороны поршня, то с другой. Поршень совершал и рабочий и обратный ход с помощью пара, чего не было в прежних машинах. Он использовал тяжелый маховик, центробежный регулятор скорости, дисковый клапан и манометр для измерения давления пара. Паровая машина Уатта стала изобретением века,
Ø В 1781 г. Джеймс Уатт получил патент на изобретение второй модели своей машины. Ø В 1782 г. эта замечательная машина, первая универсальная паровая машина «двойного действия» , была построена.
Паровая машина
История изобретения турбин В основе действия паровой турбины лежат два принципа создания усилия на роторе, известные с давних времен, реактивный и активный. В машине Бранке, построенной в 1629 году, струя пара приводила в движение колесо, напоминающее колесо водяной мельницы.
Паровая турбина Лаваля представляет собой колесо с лопатками. Пар под большим давлением вырывается из трубы (сопла), давит на лопатки и раскручивает колесо.
Паровая турбина Парсонс соединил паровую турбину с генератором электрической энергии. С помощью турбины стало возможно вырабатывать электричество, и это повысило интерес общества к тепловым турбинам. В результате 15 -летних изысканий он создал наиболее совершенную по тем временам реактивную турбину.
Первое судно с паротурбинным двигателем – «Турбиния» , построенное Парсонсом в 1894 году развивало скорость около 59 км/час. С 1900 года турбины начали устанавливать на миноносцах, а после 1906 года все большие военные корабли оснащались турбинными двигателями.
Паровозы Стефенсона и Черепановых
В апреле 1763 г. Ползунов демонстрировал работу огнедействующей машины «для заводских нужд»
Паровая турбина 1 Только в 1883 году шведу Густаву Лавалю удалось преодолеть многие затруднения и создать первую работающую паровую турбину. За несколько лет до этого Лаваль получил патент на сепаратор для молока. Для того чтобы приводить его в действие, нужен был очень скоростной привод. Ни один из существовавших тогда двигателей не удовлетворял поставленной задаче. Лаваль убедился, что только паровая турбина может дать ему необходимую скорость вращения. Он стал работать над ее конструкцией и в конце концов добился желаемого. Турбина Л аваля представляла собой легкое колесо, на лопатки которого через несколько поставленных под острым углом сопел наводился пар. В 1889 году Лаваль значительно усовершенствовал свое изобретение, дополнив сопла коническими расширителями. Это значительно повысило КПД турбины и превратило ее в универсальный двигатель
Газовая турбина. • Газовая турбина — это тепловой двигатель непрерывного действия, преобразующий энергию газа в механическую работу на валу газовой турбины. В отличие от поршневого двигателя, в газовотурбинном двигателе процессы происходят в потоке движущегося газа. Качество газовой турбины характеризуется эффективностью КПД, то есть соотношением работы, снимаемой с вала, к располагаемой энергии газа перед турбиной
Коэффициент полезного действия
Классификация ДВС Все современные двигатели внутреннего сгорания подразделяются на три основные группы: 1. Двигатели, в которых используется цикл с подводом тепла при постоянном объеме v=const (цикл Отто). 2. Двигатели, в которых используется цикл с подводом тепла при постоянном давлении p=const (цикл Дизеля). 3. Двигатели, в которых используется смешанный цикл с подводом тепла как при v=const , так и при p=const (цикл Тринклера). При исследовании идеальных термодинамических циклов поршневых двигателей внутреннего сгорания к числу определяемых величин относятся: количество подведенной и отведенной теплоты, основные параметры состояния в характерных точках цикла, термический кпд цикла.
Николаус Август Отто Немецкий изобретатель Август Отто в 1894 году получил патент на свою модель газового двигателя. Цилиндр был вертикальным. Вращаемый вал помещался над цилиндром сбоку. Вдоль оси поршня к нему была прикреплена рейка, связанная с валом. Двигатель работал следующим образом. Вращающийся вал поднимал поршень на 1/10 высоты цилиндра, в результате чего под поршнем образовывалось разрежённое пространство и происходило всасывание смеси воздуха и газа. Затем смесь воспламенялась. Ни Отто, ни Ланген не владели достаточными знаниями в области электротехники и отказались от электрического зажигания. Воспламенение они осуществляли открытым пламенем через трубку. При взрыве давление под поршнем возрастало примерно до 4 атм. Под действием этого давления поршень поднимался, объём газа увеличивался и давление падало. При подъёме поршня специальный механизм отсоединял рейку от вала. Поршень сначала под давлением газа, а потом по инерции поднимался до тех пор, пока под ним не создавалось разряжение. Таким образом, энергия сгоревшего топлива использовалась в двигателе с максимальной полнотой. В этом заключалась главная оригинальная находка Отто.
Циклы ДВС с подводом теплоты при постоянном объеме Исследование работы реального поршневого двигателя целесообразно производить по так называемой индикаторной диаграмме (снятой с помощью специального прибора - индикатора). Индикаторная диаграмма двигателя, работающего со сгоранием топлива при постоянном объеме, представлена на рисунке. При движении поршня от верхней мертвой точки к нижней происходит всасывание горючей смеси (линия 0 -1). Эта линия не является термодинамическим процессом, так как основные параметры при всасывании не изменяются, а изменяются только масса и объем смеси в цилиндре. Кривой 1 -2 (линия сжатия) изображается процесс сжатия (поршень движется от нижней мертвой точки к верхней). В точке 2 от электрической искры происходит мгновенное воспламенение горючей смеси (при постоянном объеме). Этот процесс изображается кривой 2 -3. В ходе этого процесса температура и давление резко возрастают. Процесс расширения продуктов сгорания на индикаторной диаграмме изображается кривой 3 -4, называемой линией расширения. В точке 4 происходит открытие выхлопного клапана, и давление в цилиндре уменьшается до наружного давления. При дальнейшем движении поршня (от нижней мертвой точки к верхней) через выхлопной клапан происходит удаление продуктов сгорания из цилиндра при давлении несколько большем давления окружающей среды. Этот процесс на диаграмме изображается кривой 4 -0 и называется линией выхлопа. В данном случае рабочий процесс совершается за четыре хода поршня (такта). Коленчатый вал делает за это время два оборота. В связи с чем, рассмотренные двигатели называются четырехтактными.
1. Впуск. В течение этого такта поршень опускается из верхней мёртвой точки (ВМТ) в нижнюю мёртвую точку (НМТ). При этом кулачки распредвала открывают впускной клапан, и через этот клапан в цилиндр засасывается свежая топливно-воздушная смесь. 2. Сжатие. Поршень идёт из НМТ в ВМТ, сжимая рабочую смесь. При этом значительно возрастает температура смеси. Отношение рабочего объёма цилиндра в НМТ и объёма камеры сгорания в ВМТ называется степенью сжатия. 3. Сгорание и расширение (рабочий ход поршня). Незадолго до конца цикла сжатия топливовоздушная смесь поджигается искрой от свечи зажигания. Во время пути поршня из ВМТ в НМТ топливо сгорает, и под действием тепла сгоревшего топлива рабочая смесь расширяется, толкая поршень. 4. Выпуск. После НМТ рабочего цикла открывается выпускной клапан, и движущийся вверх поршень вытесняет отработанные газы из цилиндра двигателя. При достижении поршнем ВМТ выпускной клапан закрывается и цикл начинается сначала.
Цикл ДВС с подводом теплоты при постоянном объеме Характеристики цикла: - степень сжатия; - степень повышения давления. Количество подведенной теплоты: Количество отведенной теплоты: Работа цикла: Термический КПД цикла:
Рудо льф Кристиа н Карл Ди зель — немецкий инженер и изобретатель 27 февраля 1892 года Дизель подает заявку на получение патента на «новый рациональный тепловой двигатель» , который и получает в императорском патентном бюро в Берлине 23. 02. 1893 года под названием «Метод и аппарат для преобразования высокой температуры в работу» . С 1893 года велись разработки нового двигателя на Аугсбургском машиностроительном заводе. Первый функционирующий двигатель был создан Дизелем там же в 1897 году. Мощность двигателя составляла 20 л. с. при 172 оборотах в минуту, КПД 26, 2 % при весе пять тонн. Это намного превосходило существующие двигатели Отто с КПД 20 % и судовые паровые турбины с КПД 12 %, что вызвало немедленный интерес промышленности.
Цикл с подводом теплоты при постоянном давлении Характеристики цикла: - степень сжатия; - степень предварительного расширения. Количество подведенной теплоты: Количество отведенной теплоты: Работа цикла: Термический КПД цикла:
Одним из недостатков двигателей, в которых применяется цикл с подводом теплоты при постоянном давлении, является необходимость использования компрессора, применяемого для подачи топлива. Наличие компрессора усложняет конструкцию и уменьшает экономичность двигателя, т. к. на его работу затрачивается 6 -10 % от общей мощности двигателя. С целью упрощения конструкции и увеличения экономичности двигателя русский инженер Г. В. Тринклер разработал проект бескомпрессорного двигателя высокого сжатия. Этот двигатель лишен недостатков рассмотренных выше двух типов двигателей. Основное его отличие в том, что жидкое топливо с помощью топливного насоса подается через форсунку в головку цилиндра, где оно воспламеняется и горит вначале при постоянном объеме, а потом при постоянном давлении.
Цикл с комбинированным подводом теплоты Характеристики цикла: - степень сжатия; - степень повышения давления; - степень предварительного расширения Термический КПД цикла:
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ЦИКЛЫ ЧЕТЫРЕХ ТЕПЛОВЫХ МАШИН. а – цикл Отто; б – цикл Дизеля; в – цикл Джоуля; г – цикл Аткинсона
• Двигатель Стирлинга. Для применения на автомобилях рассматриваются и другие типы двигателей внешнего сгорания. В двигателе Стирлинга используется горячий воздух, гелий или водород, а не пар. Рабочий цикл двигателя осуществляется за 4 такта: сжатие, нагревание, рабочий ход, охлаждение. Рабочий газ нагревается внешним источником тепла, как в паровой машине, а охлаждается водой, постоянно циркулируя в двигателе. Этот двигатель был изобретен в 1816 шотландцем Р. Стирлингом. • Двигатель Стирлинга имеет определенные преимущества по сравнению с паровыми машинами, а именно, слабое воздействие на окружающую среду и довольно высокий КПД. Наиболее совершенные конструкции двигателей Стирлинга разработаны для судов и грузовых автомобилей.
РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ЭНЕРГИИ ТОПЛИВА ПРИ ДВИЖЕНИИ АВТОМОБИЛЯ. 80 % - бесполезные потери 20 % - полезно затраченная энергия: 3 % - освещение 4 % - преодоление сопротивления 4 % - работа силы трения колес 9 % - движение автомобиля
КПД ТЕПЛОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ Тепловой двигатель КПД в % Паровая машина Ползунова Уатта 1 3 -4 Паровая турбина 35 Газовая турбина 45 Двигатель внутреннего сгорания 20 -35 Двигатель Дизеля Первый Тракторный Стационарный 22 28 - 32 34 - 44 Реактивный двигатель 47
КПД ТЕПЛОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ Тепловой двигатель Паровая машина Ползунова Уатта КПД в % 1 3 -4 Паровая турбина Газовая турбина Двигатель внутреннего сгорания 35 45 20 -35 Двигатель Дизеля Первый Тракторный Стационарный 22 28 - 32 34 - 44 Реактивный двигатель 47
ПОВЫШЕНИЕ КПД ТЕПЛОВОГО ДВИГАТЕЛЯ И ОХРАНА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ.
Поиск альтернативных источников энергии. • Поиск заменителей бензина и дизельного топлива. • Установка нейтрализаторов. Реконструкция двигателя автомобиля, контроль его состояния. • Реконструкция двигателя. • Контроль за состоянием автомобиля, регулировка двигателя. • Правильное вождение Шумозащитные ограждения. • Установка в оконные стекла третьего стекла • Строительство шумозащитных стенок. • Вынос автомагистралей за пределы городов и поселков.
Использование тепловых двигателей дает человеку огромные возможности и одновременно является наиболее сильным фактором разрушения природы.
«Могущество страны не только в одном материальном богатстве, но и в духе народа. Чем шире, свободнее эта душа, тем большего величия и силы достигает государство. А что воспитывает широту духа, как не эта удивительная природа! Её надо беречь, как мы бережём самую жизнь человека. Потомки никогда не простят нам опустошения земли, надругательства над тем, что по праву принадлежит не только нам, но и им. » П. И. Чайк овский
Решение задач № 1 Определите КПД двигателя трактора, которому для выполнения работы 1, 89*107 Дж потребовалось 1, 5 кг топлива с удельной теплотой сгорания 4, 2*106 Дж/кг.
Дано: АП = 1, 89*107 Дж m = 1, 5 кг q = 4, 2*106 Дж/кг КПД - ? Ответ: КПД = 30% Решение:
present5.com
Рис. 2.33. Холодильная машина
Показателем эффективности превращения энергии сгорающего топлива в механическую работу служит коэффициент полезного действия теплового двигателя.
КПД теплового двигателя это отношение механической работы A к количеству тепло-
ты Q1, поступившему от нагревателя:
= A : Q1
С учётом соотношения (2.12) имеем также
КПД теплового двигателя, как видим, всегда меньше единицы. Например, КПД паровых турбин приблизительно 25%, а КПД двигателей внутреннего сгорания около 40%.
Житейский опыт и физические эксперименты говорят нам о том, что в процессе теплообмена теплота передаётся от более нагретого тела к менее нагретому, но не наоборот. Никогда не наблюдаются процессы, в которых за счёт теплообмена энергия самопроизвольно переходит от холодного тела к горячему, в результате чего холодное тело ещё больше остывало бы, а горячее тело ещё больше нагревалось.
Ключевое слово здесь ¾самопроизвольно¿. Если использовать внешний источник энергии, то осуществить процесс передачи тепла от холодного тела к горячему оказывается вполне возможным. Это и делают холодильные машины.
По сравнению с тепловым двигателем процессы в холодильной машине имеют противоположное направление (рис. 2.33).
Рабочее тело холодильной машины называют также
хладагентом. Мы для простоты будем считать его газом,
A0
который поглощает теплоту при расширении и отдаёт при сжатии21.
Холодильник в холодильной машине это тело, от которого отводится теплота. Холодильник передаёт рабоче-
му телу (газу) количество теплоты Q2, в результате чего газ расширяется.
В ходе сжатия газ отдаёт теплоту Q1 более нагретому телу нагревателю. Чтобы такая теплопередача осуществлялась, надо сжимать газ при более высоких температурах, чем были при расширении. Это возможно лишь за счёт работы A0, совершаемой внешним источником (например, электродвигателем)22. Поэтому количество тепло-
ты, передаваемое нагревателю, оказывается больше количества теплоты, забираемого от холо-
дильника, как раз на величину A0:
Q1 = Q2 + A0:
21В реальных холодильных установках хладагент это летучий раствор с низкой температурой кипения, который забирает теплоту в процессе испарения и отдаёт при конденсации.
22В реальных холодильных агрегатах электродвигатель создаёт в испарителе низкое давление, в результате чего хладагент вскипает и забирает тепло; наоборот, в конденсаторе электродвигатель создаёт высокое давление, под которым хладагент конденсируется и отдаёт тепло.
studfiles.net
Теплова́я маши́на
Тепловая машина - устройство, преобразующее тепловую энергию в механическую работу (тепловой двигатель) или механическую работу в тепло (холодильник). Преобразование осуществляется за счёт изменения внутренней энергии рабочего тела — на практике обычно пара или газа.
Идеальная тепловая машина — машина, в которой произведённая работа и разница между количеством подведённого и отведённого тепла равны. Работа идеальной машины описывается циклом Карно.
Периодически действующий двигатель, совершающий работу за счет получаемого извне тепла, называется тепловой машиной - Двигатель внутреннего сгорания (сокращённо ДВС) — это тип двигателя, тепловой машины, в которой химическая энергия топлива (обычно применяется жидкое или газообразное углеводородное топливо), сгорающего в рабочей зоне, преобразуется в механическую работу.
Развитие энергетики является одной из важнейших предпосылок научно-технического прогресса. Мощный расцвет промышленности и транспорта в XIX в. был связан с изобретением и усовершенствованием первого теплового двигателя — паровой машины. Создание паровых, а затем газовых турбин и двигателей внутреннего сгорания полностью преобразовало всю энергетику, позволило создать крупные морские суда, автомобильный и воздушный транспорт, создать космические ракеты, построить тепловые электростанции и на этой основе реорганизовать всю промышленность.
Впервые практически действующие универсальные паровые машины были созданы И. И. Ползуновым (1763 г.) и Д. Уаттом (1764 г.).
Конструкция первых паровых машин имела основные части всех последующих тепловых машин: нагреватель, в котором освобождалась энергия топлива; водяной пар как рабочее тело и поршень с цилиндром, преобразующий внутреннюю энергию пара в механическую энергию; охладитель, необходимый для снижения температуры и давления пара. Первые паровые машины, естественно, имели серьезные конструктивные недостатки. Например, желание сделать котел дешевым и безопасным в работе приводило к необходимости использовать пар низкого давления, а для получения большей мощности это вынуждало делать цилиндры диаметром около 2 м с ходом поршня 3 м. Соответственно этому приходилось увеличивать и все другие детали машины. Дальнейшее усовершенствование паровых машин, повышение температуры и давления пара позволило существенно уменьшить их размеры и повысить мощность. Это сделало возможным использование паровых машин на судах (пароходы) и на железнодорожных локомотивах (паровозы), а также в стационарных установках для привода станков.
Главным недостатком паровых машин был низкий КПД, не превышающий 9%.
Установлено, что непрерывное или периодически повторяющееся получение работы за счет охлаждения тел может иметь место лишь в том случае, если совершающая работу машина не только получает теплоту от какого-либо тела (это тело называют нагревателем), но вместе с тем отдает часть теплоты другому телу (холодильнику). Итак, на совершение работы идет не вся теплота, полученная от нагревателя, а только ее часть, остальная же теплота отдается холодильнику. Машины1, производящие механическую работу в результате обмена теплотой с окружающими телами, называются тепловыми двигателями. В большинстве таких машин нагревание получается при сгорании топлива, благодаря чему нагреватель получает достаточно высокую температуру. В этих случаях работа совершается за счет использования внутренней энергии смеси топлива с кислородом воздуха.
Двигатель внутреннего сгорания
Двигатель внутреннего сгорания - это устройство, в котором химическая энергия топлива превращается в полезную механическую работу.
Несмотря на то, что ДВС относятся к относительно несовершенному типу тепловых машин (громоздкость, сильный шум, токсичные выбросы и необходимость системы их отвода, относительно небольшой ресурс, необходимость охлаждения и смазки, высокая сложность в проектировании, изготовлении и обслуживании, сложная система зажигания, большое количество изнашиваемых частей, высокое потребление горючего и т.д.), благодаря своей автономности (используемое топливо содержит гораздо больше энергии, чем лучшие электрические аккумуляторы), ДВС очень широко распространены —на транспорте.
История создания двигателей внутреннего сгорания
В 1799 году французский инженер Филипп Лебон открыл светильный газ. В 1799 году он получил патент на использование и способ получения светильного газа путём сухой перегонки древесины или угля. Это открытие имело огромное значение прежде всего для развития техники освещения. Очень скоро во Франции, а потом и в других странах Европы газовые лампы стали успешно конкурировать с дорогостоящими свечами. Однако светильный газ годился не только для освещения.
Патент на конструкцию газового двигателя
В 1801 году Лебон взял патент на конструкцию газового двигателя. Принцип действия этой машины основывался на известном свойстве открытого им газа: его смесь с воздухом взрывалась при воспламенении с выделением большого количества теплоты. Продукты горения стремительно расширялись, оказывая сильное давление на окружающую среду. Создав соответствующие условия, можно использовать выделяющуюся энергию в интересах человека. В двигателе Лебона были предусмотрены два компрессора и камера смешения. Один компрессор должен был накачивать в камеру сжатый воздух, а другой — сжатый светильный газ из газогенератора.. Газовоздушная смесь поступала потом в рабочий цилиндр, где воспламенялась. Двигатель был двойного действия, то есть попеременно действовавшие рабочие камеры находились по обе стороны поршня. По существу, Лебон вынашивал мысль о двигателе внутреннего сгорания, однако в 1804 году он погиб, не успев воплотить в жизнь своё изобретение.
Жан Этьен Ленуар
В последующие годы несколько изобретателей из разных стран пытались создать работоспособный двигатель на светильном газе. Однако все эти попытки не привели к появлению на рынке двигателей, которые могли бы успешно конкурировать с паровой машиной. Честь создания коммерчески успешного двигателя внутреннего сгорания принадлежит бельгийскому механику Жану Этьену Ленуару. Работая на гальваническом заводе, Ленуар пришёл к мысли, что топливовоздушную смесь в газовом двигателе можно воспламенять с помощью электрической искры, и решил построить двигатель на основе этой идеи.
Ленуар не сразу добился успеха. После того как удалось изготовить все детали и собрать машину, она проработала совсем немного и остановилась, так как из-за нагрева поршень расширился и заклинил в цилиндре. Ленуар усовершенствовал свой двигатель, продумав систему водяного охлаждения. Однако вторая попытка запуска также закончилась неудачей из-за плохого хода поршня. Ленуар дополнил свою конструкцию системой смазки. Только тогда двигатель начал работать.
Август Отто
В 1864 году было выпущено уже более 300 таких двигателей разной мощности. Разбогатев, Ленуар перестал работать над усовершенствованием своей машины, и это предопределило её судьбу — она была вытеснена с рынка более совершенным двигателем, созданным немецким изобретателем Августом Отто.
В 1864 году тот получил патент на свою модель газового двигателя и в том же году заключил договор с богатым инженером Лангеном для эксплуатации этого изобретения. Вскоре была создана фирма «Отто и Компания».
На первый взгляд, двигатель Отто представлял собой шаг назад по сравнению с двигателем Ленуара. Цилиндр был вертикальным. Вращаемый вал помещался над цилиндром сбоку. Вдоль оси поршня к нему была прикреплена рейка, связанная с валом. Двигатель работал следующим образом. Вращающийся вал поднимал поршень на 1/10 высоты цилиндра, в результате чего под поршнем образовывалось разрежённое пространство и происходило всасывание смеси воздуха и газа. Затем смесь воспламенялась. Воспламенение они осуществляли открытым пламенем через трубку. При взрыве давление под поршнем возрастало примерно до 4 атм. Под действием этого давления поршень поднимался, объём газа увеличивался и давление падало. При подъёме поршня специальный механизм отсоединял рейку от вала. Поршень сначала под давлением газа, а потом по инерции поднимался до тех пор, пока под ним не создавалось разряжение. Таким образом, энергия сгоревшего топлива использовалась в двигателе с максимальной полнотой. В этом заключалась главная оригинальная находка Отто. Рабочий ход поршня вниз начинался под действием атмосферного давления, и после того, как давление в цилиндре достигало атмосферного, открывался выпускной вентиль, и поршень своей массой вытеснял отработанные газы. Из-за более полного расширения продуктов сгорания КПД этого двигателя превосходил КПД самых лучших паровых машин того времени.
Поскольку двигатели Отто были почти в пять раз экономичнее двигателей Ленуара, они сразу стали пользоваться большим спросом. В последующие годы их было выпущено около пяти тысяч штук. Отто упорно работал над усовершенствованием их конструкции, самое существенное из его изобретений было сделано в 1877 году, когда Отто взял патент на новый двигатель с четырёхтактным циклом.
Четырёхтактный цикл был самым большим техническим достижением Отто. Но вскоре обнаружилось, что за несколько лет до его изобретения точно такой же принцип работы двигателя был описан французским инженером Бо де Рошем. Группа французских промышленников оспорила в суде патент Отто. Суд счёл их доводы убедительными. Права Отто, вытекавшие из его патента, были значительно сокращены, в том числе было аннулировано его монопольное право на четырёхтактный цикл.
Рядный четырёхцилиндровый двигатель внутреннего сгорания
Некоторые изобретатели пытались применить в качестве газа пары жидкого топлива. Ещё в1872 году американец Брайтон пытался использовать в этом качестве керосин. Однако керосин плохо испарялся, и Брайтон перешёл к более лёгкому нефтепродукту — бензину. Но для того, чтобы двигатель на жидком топливе мог успешно конкурировать с газовым, необходимо было создать специальное устройство для испарения бензина и получения горючей смеси его с воздухом.
Бензиновый двигатель
Работоспособный бензиновый двигатель появился только десятью годами позже. Изобретателем его был немецкий инженер Готлиб Даймлер. Проблема, стоявшая перед Даймлером и Майбахом была не из лёгких: они решили создать двигатель, который не требовал бы газогенератора, был бы очень лёгким и компактным, но при этом достаточно мощным, чтобы двигать экипаж. В 1883 году был создан первый бензиновый двигатель с зажиганием от раскалённой полой трубочки, открытой в цилиндр.Первая модель бензинового двигателя предназначалась для промышленной стационарной установки.
Венгерский инженер Донат Банки. В 1893 году взял патент на карбюратор с жиклёром, который был прообразом всех современных карбюраторов. В отличие от своих предшественников Банки предлагал не испарять бензин, а мелко распылять его в воздухе. Это обеспечивало его равномерное распределение по цилиндру, а само испарение происходило уже в цилиндре под действием тепла сжатия. Первые двигатели внутреннего сгорания были одноцилиндровыми, и, для того чтобы увеличить мощность двигателя, обычно увеличивали объём цилиндра. Потом этого стали добиваться увеличением числа цилиндров.
turboreferat.ru
Разделы: Физика
Цель:
Жизнь невозможна без использования различных видов энергии.
? Какие виды энергии вы знаете?
Источниками энергии являются различные виды топлива, энергия ветра, солнечная энергия, энергия приливов и отливов.
Поэтому существуют различные типы машин, которые реализуют в своей работе превращение одного вида энергии в другой.
Демонстрация: В литературе встречается описание паровой машины английского изобретателя Т. Севери, созданной в 1698 г. и предназначенной для откачивания воды из шахт. Демонстрация модели Т. Севери:
Рисунок 1.
Рисунок 2.
? Преобразование, какой энергии, в какую мы наблюдаем в данном опыте?
Тепловая энергия преобразуется в механическую работу.
Учитель: Мы рассмотрели модель паровой машины. Паровая машина один из видов тепловых двигателей.
Записывает тему урока: Тепловые двигатели. Двигатель внутреннего сгорания.
? Что такое тепловой двигатель?
1) Тепловым двигателем называют машины, в которых внутренняя энергия топлива превращается в механическую энергию.
? какие виды тепловых двигателей вы знаете?
В процессе совершения работы часть внутренней энергии газа превращается в механическую энергию движущихся частей двигателя.
Совершая работу, тепловой двигатель использует лишь некоторую часть той энергии, которая выделяется при сгорании топлива.
Закрепление:
Огнем дышит,Полымем пышет (ружье).
? Можно ли считать ружье тепловым двигателем?
При сгорании внутренняя энергия пороха превращается в механическую энергию.
2) Любой двигатель характеризуется величиной КПД.
ή (эта) – КПД,
| ή =·100% |
где Q – количество теплоты, полученное в результате сгорания топлива, Дж; А – работа, совершенная двигателем, Дж.
А < Q → КПД < 100%
Характеристики тепловых двигателей.
| Двигатели | Мощность, кВт | КПД, % |
ДВС: карбюраторный; дизельный. Турбины: паровая; газовая. Реактивный. |
1 – 200 15 – 2200 3•105 12•105 3•107 |
≈ 25 ≈ 35 ≈ 30 ≈ 27 ≈ 80 |
Закрепление:
3) Если проследить историю развития тепловых машин, современные машины имеют достаточно высокий КПД.
Заглянем в историю.
Первые тепловые двигатели были построены в конце 18 века – это были тепловые машины.
Сообщение учащихся: «Первые паровые машины. Паровые машины Джеймса Уатта».
Учитель: Пропагандируя использование паровых машин, Джеймс Уатт тем не менее был противником их использования на транспорте. Но прогресс нельзя остановить. В 1770 году Ж. Кюньо построил первую самодвижущуюся тележку …
Сообщение учащихся: «Изобретение автомобиля».
Учитель: Следующий этап в развитии техники был связан с изобретением …
Загадка: Железные избушки держатся друг за дружку. Одна с трубой тянет всех за собой? (Поезд).
Сообщение учащихся: «Изобретение паровоза».
Учитель: В современных тепловозах и автомобилях применяются ДВС. Первый ДВС изобрел француз Э. Ленуар, КПД=3%. Спустя 18 лет немецкий изобретатель Н. Отто создал ДВС, который работал по четырехтактной схеме.
4) ДВС.
? Какой двигатель называют двигателем внутреннего сгорания?
Учитель: Свое название он получил из-за того, что топливо в нем сжигалось не снаружи, а внутри цилиндра двигателя.
Сообщение учащихся: видео зарисовка учащихся – современные ДВС.
Учитель: Теперь познакомимся с устройством и принципом действия ДВС (используя модель или видеофрагмент).
? Из каких основных частей состоит простейший ДВС?? Как называется каждый такт ДВС?? Опишите принцип действия четырехтактного ДВС (используя модель)?
Рисунок 3.
5) Учитель: при использовании тепловых машин остро встает вопрос загрязнения окружающей среды. При сжигании топлива в атмосферу попадает очень много вредных выбросов. К ним можно отнести СО2 , СО, различные виды сернистых соединений, а так соединения тяжелых металлов.
Сообщение учащихся: Практическая работа по определению уровня загрязнения в районе школы.
Учитель: Большую часть механической и электрической энергии вырабатывают тепловые двигатели. Пока равноценной замены им нет. В то же время тепловые двигатели оказывают отрицательное влияние на окружающую среду и условия существования человека на Земле.
Что бы вы предложили для решения проблемы загрязнения окружающей среды тепловыми двигателями?
Написать сочинение «Тепловые двигатели будущего».
xn--i1abbnckbmcl9fb.xn--p1ai
