Теплові машини. Принцип дії теплових машин. Цикл теплових машин
Тепловий двигун – це пристрій, який перетворює внутрішню енергію палива в механічну. Енергія, яка виділяється під час згорання палива, через теплообмін передається газу. Газ, розширюючись, виконує роботу проти зовнішніх сил і приводить у рух механізм.
Для того щоб двигун працював циклічно, газ стискається, віддаючи теплоту холодильнику (навколишньому середовищу). Робоче тіло двигуна дістає кількість теплоти ΔQн від нагрівника, виконує роботу А над зовнішніми тілами і передає кількість теплоти ΔQх холодильнику. Оскільки система після закінчення циклу повертається до початкового стану, зміна внутрішньої енергії дорівнює нулю (ΔU = 0) і за першим законом термодинаміки ΔА = ΔQн–ΔQх, де ΔА - механічна робота, яку виконує газ, ΔQн - кількість теплоти, одержаної від нагрівника, ΔQх - кількість теплоти, переданої холодильнику.
Коефіцієнтом корисної дії η теплового двигуна називають виражене у відсотках відношення роботи A, виконаної двигуном, до кількості теплоти Q1, що виділилася при згорянні палива
Перетворення енергії в механізмах і теплових процесах. Принцип дії теплових машин
Можуть бути різні механізми перетворення теплової енергії у енергію механічну. Виділяють поршневі, турбінні двигуни. У поршневому двигуні відбувається розширення газу, що тисне на поршень, змушуючи його переміщатися. У турбодвигуні розширення газу діє на лопатки колеса турбіни, спричиняючи його обертання. Прикладами поршневих двигунів є парові машини і двигуни внутрішнього згорання (карбюраторні і дизельні). Турбіни двигунів бувають газові (наприклад, в авіаційних турбореактивних двигунах) і парові. Останнім часом набувають поширення теплові двигуни на базі мікротурбін.
Парова турбіна - тепловий двигун з обертовим ротором, призначений для перетворення потенціальної енергії пари на кінетичну, а кінетичної енергії пари - на механічну роботу. Парову турбіну широко застосовують у багатьох галузях народного господарства, зокрема на теплових електростанціях.
Паровий двигун
Анімована схема роботи парової машини Т.Ньюкомена: — пара показана рожевим кольором а вода — блакитним; — клапани у відкритому стані позначені зеленим кольором, у закритому — червоним
Теплові двигуни. Двигун внутрішнього згорання
Парова турбіна
Цикл Карно
Французький інженер С. Карно з’ясував умови роботи ідеальної теплової машини. З усіх теплових машин, які працюють з нагрівником, що має температуру Тн, і холодильником, що має температуру Тх , найбільший коефіцієнт корисної дії має теплова машина, що працює за циклом Карно, який складається з двох ізотерм і двох адіабат.
Розглянемо цикл Карно для ідеального газу. Газ, поміщений у теплопровідний циліндр із рухомим поршнем, приведемо в контакт із нагрівником, що має температуру T1. При цьому газ, нагріваючись до T1, ізотермічно розширюватиметься, переходячи зі стану 1 у стан 2 (мал. а). У результаті газ отримає від нагрівника теплоту Q1. та виконає супроти зовнішніх сил роботу A12 = Q2.
Після досягнення газом стану 2 перервемо контакт робочого тіла (газу) з нагрівником і помістимо циліндр у теплоізольовану адіабатну оболонку. Дамо газу можливість додатково адіабатно розширитись до стану 3. При цьому: 1) газ виконає супроти зовнішніх сил роботу A23 за рахунок своєї внутрішньої енергії U; 2) температура газу знизиться від T1 до T2, оскільки його внутрішня енергія U зменшиться (мал. б).
Після досягнення газом стану 3 приведемо його в контакт з охолоджувачем, температура якого T2 (мал. в). Газ ізотермічно стиснемо зовнішньою силою до стану 4.
Знову помістимо циліндр у теплоізольовану оболонку, і газ, у результаті адіабатного стиснення, набуде вихідного стану.
Графічне зображення циклу ідеальної теплової машини
Двигун внутрішнього згоряння — тип двигуна, теплова машина, в якій хімічна енергія палива, що згоряє в робочій зоні, перетворюється на механічну роботу. ККД = 10-42%.
Нарівні з електричним двигуном двигун внутрішнього згоряння є одним із найпоширеніших типів двигунів. Найчастіше він використовується у транспортних засобах: автомобілях, мотоциклах, поїздах, авіації, водному транспорті тощо. Двигуни внутрішнього згоряння застосовуються також в автономних електричних генераторах для виробництва електроенергії.
Розглянемо принцип дії чотиритактного двигуна
За перший такт, коли поршень переміщується від верхньої мертвої точки до нижньої мертвої точки, в робочий циліндр двигуна всмоктується повітря. Свіже повітря надходить у циліндр через всмоктувальний патрубок і розміщений у кришці циліндра впускний клапан, який має привод від розподільного вала двигуна, що обертається в два рази повільніше, ніж колінчастий вал. Тиск в циліндрі на кінець ходу всмоктування буде дещо нижчим за атмосферний, бо у впускному клапані й повітропроводі завжди будуть втрати тиску.
Для максимального наповнення циліндра повітрям впускний клапан закривається після того, як поршень дещо перейде за нижню мертву точку. На діаграмі рV процес заповнення циліндра повітрям (всмоктування) зображено лінією 1–2, розміщеною нижче лінії атмосферного тиску.
За другий такт, коли поршень почне висхідний рух від н.м.т. до в.м.т. і закриється впускний клапан, в циліндрі почнеться стиснення всмоктаного повітря. Повітря стискується до 40 – 50 бар, при цьому температура його підвищується до 600 – 700° С і стає достатньою для самозаймання вприснутого в циліндр палива.
У двотактному двигуні робочий цикл здійснюється за два ходи поршня (два такти), тобто за один оберт колінчастого вала. Перший такт робочого циклу двигуна полягає в тому, що поршень, переміщуючись від н.м.т. до в.м.т., перекриває продувні вікна в стінках циліндра й починає стискувати повітря, що знаходиться в ньому. Тиск повітря в кінці стиснення досягає приблизно 50 бар. При цьому температура повітря підвищується до 700 – 800° С, що достатньо для самозаймання палива. На діаграмі рV процес стиснення зображено лінією 1 – 2. Як видно з діаграми, точка 1, яка відповідає початку процесу стиснення, не збігається з н.м.т., а знаходиться лівіше її. Пояснюється це тим, що корисний хід стиснення в двотактних двигунах зменшується на величину висоти продувних вікон, що становить від 10 до 15% ходу поршня.
Схема роботи чотиритактного дизельного ДВЗ
Принцип роботи двотактного двигуна, обладнаного вихлопною трубою
Схема роботи роторного двигуна Ванкеля
Схема роботи чотиритактного рядного чотирициліндрового поршневого двигуна внутрішнього згоряння
Двигун Стірлінга (ДС) — тепловий двигун із зовнішнім підводом тепла. Він працює за замкненим термодинамічнимциклом Стірлінга. Незмінна кількість робочої речовини циркулює між двома камерами із різними температурами, де по черзі нагрівається та охолоджується. За рахунок цього змінюється тиск робочої речовини, який і рухає робочі поршні. Роберт Стірлінг запатентував цей тип двигуна у 1816 році.
Альфа-конфігурація. Зона нагрівання і зона охолодження робочого тіла мають кожна свій циліндр і поршень. Гарячий і холодний циліндри з'єднані трубою, в якій розміщений рекуператор.
Бета-конфігурація. Зона нагрівання і зона охолодження робочого тіла розміщені по різні кінці одного циліндра. Зазвичай, з холодного кінця розміщений робочий поршень. Об'єм холодного та гарячого газу міняється за рахунок переміщення між холодною та гарячою зонами поршня-витискувача.
Гама-конфігурація. Схожа з бета-конфігурацією, але робочий поршень винесено у окремий циліндр.
Цикл Стірлінга на прикладі двигуна Альфа-конфігурації з розташуванням циліндрів під кутом 90°
Дія двигуна Стірлінга Бета-конфігурації. Такий двигун має один циліндр.
Розріз плоского двигуна Стірлінга: 10 - гарячий циліндр. 11 - Об'єм гарячого балона. 12 - B об'єм гарячого балона. 17 - Тепла поршнева діафрагма. 18 - Нагрівальне середовище. 19 - Поршневий стрижень. 20 - Холодний циліндр. 21 - Об'єм холодного балона. 22 - Об'єм холодного балона. 27 - Діафрагма холодного поршня. 28 - Середовище охолоджуючої рідини. 30 - Робочий циліндр. 31 - Об'єм робочого циліндра. 32 - Об’єм робочого циліндра. 37 - Робоча поршнева діафрагма. 41 - Маса регенератора об'ємом А. 42 - Маса регенератора об'ємом B. 48 - акумулятор тепла. 50 - Теплоізоляція. 60 - Генератор. 63 - Магнітна схема. 64 - Електрична обмотка. 70 - Канал, що з'єднує теплі та робочі циліндри.
Двигун Стірлінга з лінійним генератором змінного струму
Турбореактивний двигун — газотурбінний двигун, в якому тяга створюється струменем газів, що витікають з реактивного сопла. ТРД застосовуються на надзвукових літаках, як маршеві двигуни, або, як підіймальні двигуни на літаках вертикального зльоту і посадки.
Анімація осьового компресора. Стаціонарні лопаті - це статори
Газова турбіна - тепловий турбінний двигун, в якому енергія газового потоку перетворюється в механічну роботу обертового вала. Основною частиною газової турбіни є ротор. Газову турбіну з'єднують з генератором електричного струму або використовують як привод у транспортних та промислових установах. Газова турбіна широко застосовують в авіації. Крім того, їх застосовують на залізничному, морському та автомобільному транспорті, електростанціях, а також на металургійних, нафтопереробних, хімічних та ін. заводах, де як правило використовують відхідні гази. Газові турбіни можуть працювати на рідкому і газоподібному паливі.
Необоротність теплових процесів. Ентропія
Необоротним називається фізичний процес, який може мимовільно протікати тільки в одному визначеному напрямку.
У зворотному напрямку такі процеси можуть протікати тільки як одна з ланок складнішого процесу.
Необоротними є практично всі процеси, що відбуваються в природі. Це пов’язано з тим, що в будь-якому реальному процесі частина енергії розсіюється за рахунок випромінювання, тертя і т. д. Наприклад, тепло, як відомо, завжди переходить від більш гарячого тіла більш холодному — це найбільш типовий приклад незворотного процесу (хоча зворотний перехід не суперечить закону збереження енергії).
Також кулька яка висить на легкій нитці (маятник) ніколи мимовільно не збільшить амплітуду своїх коливань, навпаки, одного разу наведений в рух за допомогою сторонньої силою, він обов’язково, зрештою, зупиниться в результаті опору повітря і тертя нитки об підвіс. Таким чином, повідомлена маятнику механічна енергія переходить у внутрішню енергію хаотичного руху молекул (повітря, матеріалу підвісу).
Математично незворотність механічних процесів виражається в тому, що рівняння руху макроскопічних тіл змінюється зі зміною знака часу: вони не інваріантні при заміні t на -t. При цьому прискорення і сили, що залежать від відстані, не змінюють свої знаки. Знак при заміні t на -t змінюється у швидкості. Відповідно змінює знак сила, що залежить від швидкості, — сила тертя. Саме тому при вчиненні роботи силами тертя кінетична енергія тіла необоротно переходить у внутрішню.
Спрямованість процесів у природі вказує другий закон термодинаміки.
Другий закон термодинаміки — один з основних законів термодинаміки, що встановлює необоротність реальних термодинамічних процесів.
Другий закон термодинаміки було сформульовано як закон природи Н. Л. С. Карно в 1824 р., потім У. Томсон (Кельвін) в 1841 р. і Р. Клаузиусом в 1850 р. Формулювання закону різні, але еквівалентні.
Німецький вчений Р. Клаузіус формулював закон так: неможливо перевести теплоту від більш холодної системи до більш гарячої системи при відсутності інших одночасних змін в обох системах або оточуючих тілах. Це означає, що теплота не може мимоволі переходити від більш холодного тіла до більш гарячого (принцип Клаузіуса).
Згідно формулюванню Томсона процес, при якому робота переходить в тепло без яких-небудь інших змін стану системи, є необоротним, тобто неможливо перетворити в роботу все тепло, взяте від тіла, не роблячи ніяких інших змін стану системи (принцип Томсона).
Ентропія — фізична величина, яка використовується для опису термодинамічної системи, є одною з основних термодинамічних величин. Ентропія є функцією стану термодинамічної системи і широко використовується в термодинаміці, в тому числі технічній (аналіз роботи теплових машин і холодильних установок) і хімічній (розрахунок рівноваги хімічних реакцій). Твердження про існування і зростання ентропії та перелік її властивостей складають зміст другого начала термодинаміки. Значущість цієї величини для фізики обумовлена тим, що поряд з температурою, її використовують для опису термічних явищ і термічних властивостей макроскопічних об'єктів. Ентропію також називають мірою хаосу.
Ілюстрація самочинного нерівноважного процесу в ізольованій системі. Після зняття перегородки газ розповсюджується у всьому об'ємі, переходить із впорядкованого стану (всі частинки ліворуч) до безладу (всі частинки будь-де). При такому процесі ентропія зростає.