Виды тепловых двигателей

Тепловыми двигателями считают машины, которые совершают работу за счет получаемой теплоты.

К часто используемым тепловым двигателям отнесем:

• паросиловые станции, паровые поршневые двигатели;
• двигатели внутреннего сгорания, например, бензиновые двигатели, дизельные двигатели, реактивные двигатели.

Принципы работы тепловых двигателей

Тепловой двигатель преобразовывает теплоту в механическую работу. В тепловом двигателе нагреваемый пар расширяясь, давит на поршень и производит работу.

Тепловой двигатель состоит из:

• нагревателя;
• холодильника;
• рабочего тела, пара или газа, находящегося в емкости с поршнем, который может расширяться и сжиматься.

При конструировании теплового двигателя задача заключается в том, чтобы создать такие условия, при которых газ будет попеременно соприкасаться с нагревателем и холодильником.

1. Контактируя с нагревателем, рабочее тело нагревается, расширяется и совершает работу.
2. Соприкасаясь с холодильником газ сжимается, поршень уходит в первоначальное положения, работа совершается над рабочим телом.
3. Цикл может начинаться сначала.

Одной из первых машин, в которой человек использовал солнечную энергию, была ветряная мельница. В такой мельнице вращение крыльев при дуновении ветра приводит в действие вал, который совершает работу. Для появления ветра нужно, чтобы имелась разность давлений, которая появляется в результате температурной разницы в частях атмосферы. Ветер – это конвекционное перемещение атмосферы, вызванное ее неравномерным нагревом.

Так, энергия Солнца использовалась для получения работы в ветряном двигателе.

Периодически повторяющееся выполнение работы в результате охлаждения тел возможно, если тепловая машина не только получает теплоту от нагревателя, но и часть ее передает холодильнику (телу с более низкой температурой). На выполнение работы уходит только часть теплоты нагревателя, остальная теплота переходит к холодильнику.

Большая часть тепловых двигателей нагревание происходит за счет сгорания топлива, в результате этого процесса нагреватель обладает достаточно высокой температурой. При этом работа выполняется за счет внутренней энергии смеси топлива и кислорода из атмосферы.

Имеются тепловые двигатели, в которых нагревание выполняет Солнце. Проектируются машины, применяющие разницу температур воды в море.

Существуют и работают тепловые машины, которые используют теплоту, выделяемую в ядерном реакторе, при расщеплении и преобразовании ядер атомов.

Паровая машина

Первыми были сконструированы паровые поршневые двигатели (или паровые машины). Позднее на их основе были созданы паровые турбины.

Рабочим телом в этих двигателях обычно является водяной пар (возможны пары других веществ). Поршневые двигатели сейчас применяют редко, на железнодорожном и водном транспорте.

Паровые турбины используются на больших электростанциях и кораблях.

Паровой двигатель кроме основных элементов теплового двигателя имеет несколько вспомогательных устройств. Вся совокупность компонент парового двигателя называется паросиловой станцией. В паровом двигателе осуществляет циркуляцию вода. Она становится паром в котле, выполняет работу в турбине, снова становится водой в барабане. Затем она отправляется при помощи насоса через сборный бак в котел. Оборот воды в паросиловой станции изображен на схеме рис.1

Рисунок 1. Паровой двигатель. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

В схеме, изображенной на рис.1 нагреватель – это котел, а холодильник – конденсатор, который охлаждается проточной водой. Поскольку в установке циркулирует одна и также вода, то накипи практически не образуется. Накипь влияет на КПД котла, уменьшая его.

Паровой котел - это топка и собственно котел. Топливо сжигают в топке. Сам котел составлен из барабана и труб, которые через свои стенки передают теплоту газов, нагретых при сгорании топлива, воде. Вода нагревается и превращается в пар. Энергия топочных газов не полностью передается воле, ее часть рассеивается. Потери энергии происходят и при неполном сгорании топлива.

Далее по паропроводу пар попадет в турбину. Турбина - это стальной цилиндр с валом внутри него. На валу укреплены рабочие колеса с изогнутыми лопатками. Между рабочими колесами имеются направляющие лопатки. Пар заставляет рабочее колесо вращаться, попадая на рабочие лопатки. В турбине пар увеличивает свой объем, при этом его температура уменьшается.

Турбина способна совершать вращение только в одном направлении, скорость ее вращение изменяется не очень сильно. Это удобно для вращения электрогенераторов.

КПД паросиловой станции может достигать 27%. Часть потерь энергии вызвана несовершенством конструкции и потерями, которые происходят при охлаждении пара водой в конденсаторе.

Теория дает следующий вывод, что КПД тепловой машины не может быть больше, чем:

$\eta =\frac{T_1-T_2}{T_1}\left(1\right),$

где $T_1$ - температура нагревателя; $T_2$ - температура холодильника.

Двигатель внутреннего сгорания

Сжигание топлива можно производить вне цилиндра, в котором происходит расширение рабочего тела (газа), такой двигатель называют двигателем внешнего сгорания. Примером двигателей внешнего сгорания могут быть:

• паровая машина;
• турбина.

Двигатели, у которых сжигание топлива происходит внутри камеры сгорания, называют двигателями внутреннего сгорания. Примерами двигателей внутреннего сгорания могут быть:

• бензиновый двигатель;
• дизель;
• реактивный двигатель.

Двигатель внутреннего сгорания в настоящее время является самым распространенным тепловым двигателем. Он работает:

• на автомобильном транспорте,
• самолетах,
• моторных лодках,
• танках и т. д.

Топливом для двигателей внутреннего сгорания может служить:

• жидкое топливо, такое как бензин, керосин;
• газ.

Рассмотрим четырехтактный бензиновый двигатель внутреннего сгорания.

Основная часть этого двигателя – один или несколько цилиндров, где сжигается топливо. Во внутренности цилиндра движется поршень. Поршень имеет вид полого цилиндра, закрытого с одной стороны. Этот цилиндр опоясан пружинными кольцами, которые вложены в канавки на поршне. Данные кольца должны не пропускать газы, которые появляются как результат сжигания топлива, в отсек между поршнем и стенками цилиндра.

Поршень имеет стержень из металла (палец), который соединяет поршень с шатуном. Шатун передает движение от поршня к коленчатому валу.

В работе данного двигателя выделяют четыре этапа:

1. Всасывание горючей смеси в цилиндр из карбюратора.
2. Сжатие горючей смеси. При этом впускной клапан закрывается, поршень двигается сжимает смесь. Смесь повышает свою температуру.
3. Сгорание смеси. При достижении некоторого положения поршнем смесь загорается от электрической искры, которую дает свеча. Давление газов заставляет поршень двигаться вниз. Поршень передает свое движение коленчатому валу, так совершается работа. Выполняя работу и увеличивая свой объем продукты сгорания уменьшают свою температуру, давление уменьшается. По окончании рабочего хода давление в цилиндре становится равным атмосферному.
4. Выхлоп отработанных продуктов горения. При этом открывается выпускной клапан, продукты горения через глушитель попадают в атмосферу.

Температура газов, которые получаются в двигателе внутреннего сгорания довольно большая (более 1000 градусов Цельсия), следовательно, они должны давать КПД выше, чем у паровых двигателей. В реальной действительности КПД двигателя внутреннего сгорания составляет 20-30%. Энергия сгорания топлива в нем расходуется так:

• 40% идет на охлаждение цилиндра с водой;
• 25% уносят отработанные газы;
• 10% забирает трение;
• 25% полезная работа.

Существуют не только четырехтактные, но и двухтактные двигатели внутреннего сгорания.

К преимуществам двигателя внутреннего сгорания относят:

• компактность,
• небольшую массу.

Недостатками таких двигателей являются:

• потребности в топливе высокого качества;
• отсутствие возможности получения с его помощью малой частоты вращения.