Виды тепловых двигателей. Какие двигатели называют тепловыми

Тепловые двигатели преобразуют тепло в механическую работу. В тепловом двигателе нагретый пар расширяется и толкает плунжер, производя работу.

Двигатель внутреннего сгорания

Тепловые двигатели — это действующие машины, в которых внутренняя энергия преобразуется в механическую. Простейшая модель такой машины может быть представлена в виде металлического цилиндра и плотно установленного поршня, который может перемещаться вдоль цилиндра.

Одним из наиболее распространенных типов тепловых двигателей, встречающихся в нашей повседневной жизни, является двигатель внутреннего сгорания (ДВС). Содержащееся в нем топливо сгорает непосредственно в цилиндре внутри самого двигателя. Происхождение названия легко угадать.

В этом уроке рассказывается о двигателях внутреннего сгорания и о том, как они работают.

Устройство двигателя внутреннего сгорания

Этот тип тепловых двигателей работает на жидком и газообразном топливе. Этими видами топлива являются нефть, бензин, парафин и различные горючие газы.

На рисунке 1 показано поперечное сечение простейшего двигателя внутреннего сгорания.

Двигатель представляет собой прочный металлический цилиндр. Внутри этого цилиндра находится подвижный поршень 3. Поршень соединен с коленчатым валом 5 через шатун 4.

В верхней части двигателя находятся два клапана 1 и 2. При работающем двигателе они автоматически открываются и закрываются в определенное время.

Топливная смесь поступает в цилиндр двигателя через клапан 1. Зажигание от свечи зажигания 6.

Топливная смесь представляет собой смесь горючих газов, частиц жидкого топлива и паров топлива и воздуха (кислорода).

Отработанные газы выходят через клапан 2.

Сгорание топливной смеси происходит регулярно в цилиндре. Например, смесь паров бензина и воздуха при сгорании. Образуются продукты сгорания. Их температура во время этого процесса достигает высоких значений — 1600-1800 °C$. Это резко увеличивает давление на поршень.

Эти газы (продукты сгорания) толкают плунжер. При движении поршня движется и коленчатый вал. Таким образом, газы совершают механическую работу. Это означает, что часть внутренней энергии газов преобразуется в механическую энергию. В результате внутренняя энергия газов уменьшается — они начинают охлаждаться.

Мертвые точки, ход поршня и такты двигателя

Для более детального изучения операционной системы двигателя необходимо новое определение.

Поршни могут перемещаться внутри цилиндра. В самом простом типе рассматриваемого нами устройства они могут двигаться вверх и вниз.

Мертвая точка — это крайнее значение положения поршня на цилиндре.

Ход поршня — это расстояние, которое проходит поршень от одной мертвой точки до другой.

Рассматриваемый нами двигатель внутреннего сгорания называется четырехтактным.

Четырехтактный двигатель — это двигатель, цикл которого происходит за четыре такта.

Ход поршня в таком двигателе происходит за пол-оборота коленчатого вала.

Было показано, что изотермические и адиабатические процессы делают машины Карно обратимыми. Между тем же нагревателем и холодильником можно запустить машину в обратном цикле (против часовой стрелки) без какого-либо другого оборудования. В этом случае машина Карно действует как холодильная машина.

Понятие теплового двигателя

Чтобы понять, что за агрегат называется тепловым двигателем, давайте рассмотрим, как он работает. Согласно принятой классификации, устройство может преобразовывать тепло от окисления топлива в энергию внутри тела за счет увеличения теплового объема. Что касается изменения объема, то это общий фактор, но некоторые двигатели используют изменение формы рабочего вещества.

Принцип работы тепловых двигателей заключается в воздействии расширяющихся частиц газа на поршни или лопатки турбины. Под действием этого давления компоненты перемещаются или вращаются вокруг оси. Это действие наблюдается в двигательных установках, где подается пар, и в установках, где происходит внутреннее сжигание топлива. Вращение используется для работы реактивного двигателя.

Конструктивно агрегаты отличаются, но принцип работы теплового двигателя одинаков. Они оснащены нагревательным блоком, где рабочей средой является пар или газ, и устройством, поддерживающим низкую температуру. Нагревательное устройство производит тепловую энергию и способствует сгоранию и выделению тепла. Предположим, что во время горения выделяется некоторое количество тепла «Q нагревателя», и эта энергия частично передается нагревателю и нагревается до температуры «T нагревателя». Выполняется работа «А», которой предшествует движение поршня или лопаток турбины.

Структурная схема теплового двигателя:.

Общая величина не преобразуется в работу, количество «Q холодильника» передается холодильному агрегату путем теплопередачи через корпус, при значении температуры «T холодильника». Роль холодильника заключается в следующем Выступление в атмосфере.

Задача теплового двигателя — приложить силу к телу. Поскольку только часть высвобожденной энергии расходуется на работу, результат измеряется величиной, называемой КПД (коэффициент полезного действия).

Поскольку физическая активность не может быть отменена, общая энергия не может быть израсходована. Это означает, что извлеченное тепло само по себе не может быть передано от охладителя обратно к нагревателю. В противном случае вся энергия может быть использована двигательной установкой.

Работа двигателя характеризуется следующими типами.

‘Q1’ — количество тепла, переданное от холодильного агрегата; ‘Q2’ — количество тепла, переданное холодильному агрегату.

КПД теплового двигателя ‘ɳ’ — это коэффициент работы, выполняемой системой, по отношению к количеству тепла, поставляемого системой отопления.

КПД составляет ɳ˂1, поскольку ни один двигатель не использует все тепло для работы проекта. Степень эффективности пропорциональна результату вычитания температуры систем отопления и охлаждения. «T1»-«T2» = 0, работа двигателя невозможна. Энергия, потребляемая двигателем, определяется на основе энергии, выделяемой при сгорании используемой смеси. Этот показатель определяется путем сжигания 1 кг топлива и измерения его с помощью калориметра.

Удельная теплота сгорания топлива:.

Обратимый круговой процесс

Оценивается производительность установки, для этого принимается производительность идеального теплового двигателя. Впервые это понятие было введено изобретателем Карно в двадцать четвертом году девятнадцатого века. Основной принцип цикла — обратимость. По словам инженера, повторяемость процесса обеспечивается, когда расширение рабочего вещества при нагревании сменяется сжатием этого вещества до исходного состояния при охлаждении. Теплообмен с атмосферой не учитывается в цикле, его не существует.

Никола Леонард Сади Карно (1796 — 1832):

Идеальный тепловой двигатель по своей конструкции содержит нагревательное устройство с температурой «T нагревателя», охлаждающее устройство с температурой «T охладителя» и вещество, которое затем сжимается, а затем расширяется.

На начальной стадии процесса температура вещества равна значению «Т нагревателя». Происходит контакт с нагревательным устройством, вещество передается под действием тепла от «нагревателя Q» и увеличивается в объеме.

Тело, совершающее силовое воздействие, не соприкасается с нагревательным устройством, а продолжает увеличиваться в объеме, не передавая часть теплоносителя в атмосферу. Температура вещества равна температуре охлаждающего устройства.

Вещество со значением температуры, равным температуре охлаждающего устройства «T cooler», контактирует с охладителем и уменьшается в объеме, температура при этом не изменяется. Но тело само отдает часть своей температуры охладителю, «Q охладителя».

Вещество больше не контактирует с холодильником, оно сжимается, не отдавая свою температуру атмосфере. Температура вещества равна температуре нагревательного элемента.

Изотермические процессы протекают при постоянной температуре, тогда как адиабатические процессы протекают без теплообмена, поэтому в процессах Карно энтропия сохраняется.

КПД, соответствующий реальным единицам, ниже эталонного коэффициента. Идеальный коэффициент используется в качестве эталона для определения запаса разработанной или усовершенствованной двигательной установки.

Виды двигателей

Чтобы было легче различать двигатели, называемые тепловыми, агрегаты были условно классифицированы:

Тепловые двигатели с источником тепла, отдельным от рабочего тела.

スターリングエンジン

Принцип работы основан на цикле материи, совершающей работу в замкнутом объеме. Само вещество, выполняющее работу, периодически охлаждается или нагревается. Работа выполняется за счет изменения объема. Преимущество двигателя в том, что он может работать за счет подвода тепла любого происхождения.

Рабочая модель двигателя Стирлинга:

蒸気機関

Преимуществом этих устройств является их простота и малая тяга при низких оборотах двигателя. Использование агрегата с паровым приводом не требует применения редуктора, что упрощает конструкцию. Паровая машина подходит для использования в качестве тягового двигателя и в этом отношении превосходит двигатель внутреннего сгорания. Недостатками являются вес устройства, низкая скорость и эффективность, а также постоянное использование больших объемов жидкости.

Применение локомотива CVA201 в автомобильном транспорте:

Тепловые двигатели, в которых источник тепла выступает в качестве рабочей среды

Двигатель со сгоранием внутри локомотива в качестве источника тепла в качестве источника сгорания.

Энергетическая установка, работа которой связана с частичной передачей энергии от окисленного топлива к энергии.

Классификация двигателей основана на различных характеристиках:

• расход топлива (бензин, дизель, пропан, бутан, метан),
• рабочий цикл (2- или 4-тактные двигатели)
• способ приготовления смеси (карбюратор, инжектор, дизель)
• преобразование энергии (поршень, турбина, комбинация).

Сегодня доминируют поршневые двигатели внутреннего сгорания. По сравнению с другими устройствами, большинство из них производятся и продаются. Без этих двигателей не было бы сферы человеческой деятельности.

Роторные двигатели внутреннего сгорания.

Функциональность, простота и функциональность во всех размерах устройства. Ротор действует как поршень и вращается по колесной траектории в замкнутом пространстве. Камера оснащена входным и выходным люками и свечой зажигания. Для работы без газораспределительного механизма требуется четыре стука. Роторные двигатели более экономичны, дешевле в производстве и более надежны, чем поршневые. Недостатком этого устройства является то, что оно не соответствует экологическим нормам.

Реактивные двигатели Двигатели с реактивной тягой.

Двигательная установка работает на энергии, получаемой от выхлопных газов при сгорании топлива. Преимуществом является то, что он может работать в безвоздушном пространстве.

Агрегаты турбинных двигателей

Пропульсивная сила от горящего топлива используется для приведения в движение пропеллера.