Виды тепловых двигателей

Тепловые двигатели внешнего сгорания

• 1. Двигатель Стирлинга — это тепловой аппарат, в котором газообразное или жидкое рабочее тело совершает движения в замкнутом пространстве. Это устройство основано на периодическом охлаждении и нагреве рабочего тела. При этом извлекается энергия, которая возникает при изменении объема рабочего тела. Двигатель Стирлинга может работать от любого источника тепла.
• 2. Паровые машины. Главный их плюс — это простота и отличные тяговые качества, на которые не влияет скорость работы. При этом можно обходиться без редуктора. Этим паровая машина отличается в лучшую сторону от двигателя внутреннего сгорания, выдающего на малых оборотах недостаточное количество мощности. По этой причине паровую машину удобно использовать в качестве тягового двигателя. Недостатки: низкий КПД, невысокая скорость, постоянный расход воды и топлива, большой вес. Раньше паровые машины были единственным двигателем. Но они требовали много топлива и замерзали зимой. Затем их постепенно вытеснили электродвигатели, ДВС, паровые турбины и газовые, которые обладают компактностью, более высоким КПД, универсальностью и эффективностью.

Тепловые двигатели внутреннего сгорания

• 1. ДВС (расшифровывается как двигатель внутреннего сгорания) — это двигатель, в процессе работы которого, часть сгорающего топлива преобразуется в механическую энергию. Поршневые ДВС различаются по виду топлива (газовые и жидкостные), по рабочему циклу (двухи четырехтактные), по способу приготовления рабочей смеси (карбюраторные, дизели), по типу преобразования энергии (турбинные, комбинированные, поршневые и реактивные). Первый ДВС был придуман и создан Э. Ленуаром в 1860 году. Рабочий цикл состоит из четырех тактов, по этой причине этот двигатель еще называют четырехтактным. В настоящее время такой двигатель чаще всего встречается на автомобилях.
• 2. Роторный ДВС. В качестве примера можно привести электрическую тепловую станцию, работающую в базовом и пиковом режимах. Этот вид двигателя относительно прост и может быть создан в любых размерах. Вместо поршней используется ротор, вращающийся в специальной камере. В ней расположены впускные отверстия и выпускные, а также свеча зажигания. При таком типе конструкции четырехтактный цикл осуществляется без механизма газораспределения. В роторном ДВС можно использовать дешевое топливо. Также он практически не создает вибраций, дешевле и надежнее в производстве, чем поршневые тепловые двигатели.
• 3. Ракетные и реактивные тепловые двигатели. Суть этих устройств состоит в том, чтобы тяга создавалась не с помощью винта, а посредством отдачи выхлопных газов двигателя. Могут создавать тягу в пространстве без воздуха. Бывают твердотопливные, гибридные и жидкостные). И последний подвид — это турбовинтовые тепловые двигатели. Создание энергии происходит за счет винта и за счет отдачи газов выхлопных.

В период создания первых тепловых машин искали цикл, в котором можно получить самый высокий КПД (коэффициент полезного действия). Сади Карно, исследуя совокупность термодинамических процессов, по наитию пришел к разработке своего цикла, получившим его имя — цикл Карно. В нем последовательно выполняются изотермический, затем адиабатический процесс сжатия. Рабочее тело после выполнения этих процессов обладает запасом внутренней энергии, но цикл еще не завершен, поэтому рабочее тело расширяется и выполняет изотермический процесс расширения. Чтобы закончить цикл и вернуться к исходным параметрам рабочего тела, выполняется адиабатический процесс расширения.

Карно доказал, что КПД в его цикле достигает максимума и зависит только от температур двух изотерм. Чем выше разность между ними, тем, соответственно, выше термический КПД. Попытки создать тепловую машину по циклу Карно так и не увенчались успехом. Это идеальный цикл, который выполнить нельзя. Но он доказал главный принцип второго начала термодинамики о невозможности получения работы, равной затратам тепловой энергии. Был сформулирован ряд определений второму началу (закону) термодинамики, на основании которых Рудольф Клаузиус ввел понятие энтропии. Главный вывод его исследований — энтропия постоянно возрастает, что ведет к тепловой «смерти». Самым главным достижением Клаузиуса явилось понимание сути адиабатического процесса, при его выполнении энтропия рабочего тела не меняется. Поэтому адиабатический процесс по Клаузиусу — это s=const. Здесь s — это энтропия, которая дает еще одно название процессу, совершаемому без подвода или отвода теплоты, — изоэнтропийный процесс. Ученый занимался поиском такого цикла тепловой машины, где не происходило бы увеличение энтропии. Но, к сожалению, такого он создать не сумел. Поэтому вывел, что тепловая машина не может быть создана вообще.

Но не все исследователи были настроены столь пессимистично. Они искали реальные циклы для тепловых машин. В результате их поисков Николаус Август Отто создал свой цикл тепловой машины, который сегодня реализуется в двигателях, работающих на бензине. Здесь выполняются адиабатический процесс сжатия рабочего тела и изохорный подвод теплоты (сгорание топлива при постоянном объеме), затем появляются адиабата расширения (работа совершается рабочим телом в процессе увеличения его объема) и изохорный отвод теплоты. Первые двигатели внутреннего сгорания по циклу Отто использовали в качестве топлива горючие газы. Много позже были придуманы карбюраторы, которые стали создавать бензовоздушные смеси воздуха с парами бензина и подавать их в цилиндр двигателя.

В цикле Отто сжимается горючая смесь, поэтому величина сжатия ее сравнительно небольшая — горючая смесь имеет склонность детонировать (взрываться при достижении критических давлений и температур). Поэтому работа при адиабатическом процессе сжатия сравнительно невелика. Здесь введено еще одно понятие: степень сжатия — отношение полного объема к объему сжатия. Поиск путей увеличения эффективности использования энергии топлива продолжался. Увеличение КПД видели в повышении степени сжатия. Рудольф Дизель разработал свой цикл, в котором подвод теплоты осуществляется при постоянном давлении (в изобарном процессе). Его цикл лег в основу двигателей, использующих дизельное топливо (его еще называют соляркой). В цикле Дизеля сжимается не горючая смесь, а воздух. Поэтому говорят, что совершается работа в адиабатическом процессе. Температура и давление в конце сжатия высоки, поэтому через форсунки осуществляется впрыск топлива. Оно перемешивается с горячим воздухом, образует горючую смесь. Она сгорает, при этом увеличивается внутренняя энергия рабочего тела. Далее расширение газа идет по адиабате, совершается рабочий ход. Попытка реализовать цикл Дизеля в тепловых машинах не удалась, поэтому Густав Тринклер создал комбинированный цикл Тринклера. Его и используют в сегодняшних дизельных двигателях. В цикле Тринклера теплота подводится по изохоре, а потом по изобаре. Только после этого выполняется адиабатический процесс расширения рабочего тела.

По аналогии с поршневыми тепловыми машинами работают и турбинные. Но в них процесс отвода теплоты по завершении полезного адиабатического расширения газа выполняется по изобаре. На самолетах с газотурбинным и турбовинтовым двигателями адиабатический процесс совершается дважды: при сжатии и расширении. Чтобы обосновать все основополагающие понятия адиабатического процесса, были предложены расчетные формулы. Здесь фигурирует важная величина, получившая название показатель адиабаты. Его значение для двухатомного газа (кислород и азот — это основные двухатомные газы, имеющиеся в воздухе) равно 1,4. Для расчета показателя адиабаты используются еще две интересные характеристики, а именно: изобарная и изохорная теплоемкости рабочего тела. Отношение их.

k=Cp/Cv.

— и есть показатель адиабаты. Почему в теоретических циклах тепловых машин используется адиабатический процесс? На самом деле выполняются политропные процессы, но из-за того, что они происходят с высокой скоростью, принято предполагать отсутствие теплообмена с окружающей средой. 90% электроэнергии вырабатывается на тепловых электростанциях. В них в качестве рабочего тела используется водяной пар. Его получают при кипении воды. Чтобы повысить рабочий потенциал пара, его перегревают. Затем при высоком давлении перегретый пар подается на паровую турбину. Здесь также совершается адиабатический процесс расширения пара. Турбина получает вращение, его передают на электрогенератор. Тот, в свою очередь, вырабатывает электроэнергию для потребителей. Паровые турбины работают по циклу Ренкина. В идеале повышение эффективности также связано с увеличением температуры и давления водяного пара. Как видно из изложенного, адиабатный процесс является весьма распространенным в производстве механической и электрической энергий. термодинамический адиабата тепловой двигатель.