Машины, преобразующие внутреннюю энергию в механическую работу, называют тепловыми двигателями 2
Круговой процесс на диаграмме (p, V). 3
Модель. Термодинамические циклы 4
КПД теплового двигателя Кпд реальных двигателей: турбореактивный - 20 -30%; карбюраторный - 25 -30%, дизельный - 35-45%. Энергетическая схема тепловой машины: 1 – нагреватель; 2 – холодильник; 3 – рабочее тело, совершающее круговой процесс. 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 (1796-1832 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.
1 – 2 - изотермическое расширение. А ₁₂ = Q ₁ 2 – 3 – адиабатное расширение А ₂₃ = - ∆ U ₂₃ 3 – 4 - изотермическое сжатие A ₃₄= A сж = Q₂ 4 – 1 – адиабатное сжатие A ₄₁= ∆ 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 Т1. Это изотермический процесс (рис. а). Полученное тепло Q1 превращается в работу A1, равную площади под графиком. На втором этапе цилиндр изолируется от нагревателя, и газ продолжает адиабатически расширяться, производя работу A2 (заштрихованная площадь на рис. б). Поскольку притока тепла нет, работа совершается за счет внутренней энергии рабочего тела (газа) и его температура снижается от Т1 до Т2. 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 Q2 будет равно совершенной над поршнем работе А3 (заштрихованная площадь на рис. в). Газ при этом будет изотермически сжиматься при температуре Т2. Последняя стадия - вновь адиабатический процесс, когда над поршнем совершается работа А4, полностью переходящая во внутреннюю энергию газа. Его температура при этом повышается от Т2 до Т1 (рис. г).
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 )
В 1698 году он построил паровую машину, используя пороховой двигатель, заменив порох водой.
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.
УАТТ (Watt) Джеймс (1736-1819), английский изобретатель. Изобрел (1774-84) паровую машину с цилиндром двойного действия. Применение машины Уатта положило начало эре тепловых двигателей.
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, положившем начало к промышленной революции.
В 1781 г. Джеймс Уатт получил патент на изобретение второй модели своей машины. В 1782 г. эта замечательная машина, первая универсальная паровая машина «двойного действия», была построена.
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.
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.
В апреле 1763 г. Ползунов демонстрировал работу огнедействующей машины «для заводских нужд»
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. Ла- валь 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 изо- бретение, дополнив сопла коническими расширителями. Это значительно повысило КПД турбины и превратило ее в универсальный двигатель
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
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.
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. 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.
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.
Характеристики цикла: - степень сжатия; - степень повышения давления. Количество подведенной теплоты: Количество отведенной теплоты: Работа цикла: Термический КПД цикла:
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. Рудо́льф Кристиа́н Карл Ди́зель — немецкий инженер и изобретатель
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.
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.
80 % - бесполезные потери 20 % - полезно затраченная энергия: 3 % - освещение 4 % - преодоление сопротивления 4 % - работа силы трения колес 9 % - движение автомобиля
Тепловой двигатель К П Д 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
Тепловой двигатель К П Д 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
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.Чайковский
№1 Определите КПД двигателя трактора, которому для выполнения работы 1,89*10 7 Дж потребовалось 1,5 кг топлива с удельной теплотой сгорания 4,2*10 6 Дж/кг.
Дано: А П = 1,89*10 7 Дж m = 1, 5 кг q = 4,2*10 6 Дж/кг КПД - ? Решение: Ответ: КПД = 30%
