3 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Что такое тепловой двигатель и его устройство

Тепловой двигатель

Теплово́й дви́гатель — устройство, совершающее работу за счет использования внутренней энергии, тепловая машина, превращающая тепло в механическую энергию, использует зависимость теплового расширения вещества от температуры. (Возможно использование изменения не только объёма, но и формы рабочего тела, как это делается в твёрдотельных двигателях, где в качестве рабочего тела используется вещество в твёрдой фазе.) Действие теплового двигателя подчиняется законам термодинамики. Для работы необходимо создать разность давления по обе стороны поршня двигателя или лопастей турбины. Для работы двигателя обязательно нужно наличие топлива. Это возможно при нагревании рабочего тела (газа), которое совершает работу за счёт изменения своей внутренней энергии. Повышение и понижение температуры осуществляется, соответственно, нагревателем и охладителем.

Содержание

  • 1 История
  • 2 Теория
  • 3 Типы тепловых двигателей
    • 3.1 Двигатель Стирлинга
    • 3.2 Поршневой двигатель внутреннего сгорания
    • 3.3 Роторный (турбинный) двигатель внешнего сгорания
    • 3.4 Роторный (турбинный) двигатель внутреннего сгорания
    • 3.5 Реактивные и ракетные двигатели
      • 3.5.1 Турбовинтовой двигатель
      • 3.5.2 Турбореактивный двигатель
      • 3.5.3 Ракетный двигатель
        • 3.5.3.1 Твёрдотопливный ракетный двигатель
        • 3.5.3.2 Гибридный ракетный двигатель
        • 3.5.3.3 ЖРД (жидкостный ракетный двигатель)
    • 3.6 Твердотельные двигатели
    • 3.7 Дистилляционный двигатель
  • 4 Литература

История [ править ]

Первой известной тепловой конструкции была паровая турбина внешнего сгорания, изобретённая во ΙΙ веке н. э. в Римской империи. Это изобретение не получило своего развития предположительно из-за низкого уровня техники того времени. На прогресс это изобретение никакого влияния не оказало и было забыто. Следующей тепловой машиной, изобретённой человеком, была пороховая ракета и пороховое орудие. Дата его изобретения неизвестна, первое известное упоминание относится к 13 веку. Это произошло в Китае. Это было простое устройство, которое с точки зрения инженера и механика не является тепловым двигателем, так как не имеет вала отбора мощности, но с точки зрения физики является тепловой машиной. Поэтому этот прибор имеет ограниченное применение: для связи, в военном деле, как транспорт (в последнем случае есть проблемы, но в принципе это возможно). В 17 веке изобретательская мысль попыталась на базе порохового орудия создать тепловой двигатель.

Теория [ править ]

Работа, совершаемая двигателем, равна:

, где:

  • — количество теплоты, полученное от нагревателя,
  • — количество теплоты, отданное охладителю.

Коэффициент полезного действия (КПД) теплового двигателя рассчитывается как отношение работы, совершаемой двигателем, к количеству теплоты, полученному от нагревателя:

Часть теплоты при передаче неизбежно теряется, поэтому КПД двигателя менее 1. Максимально возможным КПД обладает двигатель Карно. КПД двигателя Карно зависит только от абсолютных температур нагревателя() и холодильника():

Типы тепловых двигателей [ править ]

Двигатель Стирлинга [ править ]

Дви́гатель Стирлинга — тепловая машина, в которой жидкое или газообразное рабочее тело движется в замкнутом объёме, разновидность двигателя внешнего сгорания. Основан на периодическом нагреве и охлаждении рабочего тела с извлечением энергии из возникающего при этом изменения объёма рабочего тела. Может работать не только от сжигания топлива, но и от создания разницы температур его цилиндров.

Поршневой двигатель внутреннего сгорания [ править ]

Двигатель Внутреннего Сгорания или ДВС, тепловой двигатель, в котором часть химической энергии топлива, сгорающего в рабочей полости, преобразуется в механическую энергию. По роду топлива различают жидкостные и газовые; по рабочему циклу непрерывного действия, 2- и 4-тактные; по способу приготовления горючей смеси с внешним (напр., карбюраторные) и внутренним (напр., дизели) смесеобразованием; по виду преобразователя энергии поршневые, турбинные, реактивные и комбинированные. Коэффициент полезного действия 0,4-0,5. Первый двигатель внутреннего сгорания сконструирован Э. Ленуаром в 1860.

В наше время чаще встречается автомобильный транспорт, который работает на тепловом двигателе внутреннего сгорания, работающем на жидком топливе. Рабочий цикл в двигателе происходит либо за четыре хода поршня, за четыре такта, либо за два и двигатели делятся на четырёхтактные и двухтактные. Цикл четырёхтактного двигателя состоит из следующих тактов: 1.впуск, 2.сжатие, 3.рабочий ход, 4.выпуск. В цикле двухтактного двигателя такты рабочего хода и сжатия аналогичны четырёхтактному двигателю, а впуск и выпуск осуществляется одновременно в момент нахождения поршня вблизи от нижней мёртвой точки.

Роторный (турбинный) двигатель внешнего сгорания [ править ]

Примером такого устройства является тепловая электрическая станция в базовом режиме. Таким образом колёса локомотива (электровоза) также, как и в 19 веке, вращает энергия пара. Но тут есть два существенных отличия. Первое отличие заключается в том, что паровоз 19 века работал на качественном дорогом топливе, например на антраците. Современные же паротурбинные установки работают на дешевом топливе, например на канско-ачинском угле, который добывается открытым способом шагающими экскаваторами. Но в подобном топливе много пустого балласта, который транспорту приходится возить с собой вместо полезного груза. Электровозу не надо возить не только балласт, но и топливо вообще. Второе отличие заключается в том, что тепловая электрическая станция работает по циклу Ренкина, который близок к циклу Карно. Цикл Карно состоит из двух адиабат и двух изотерм. Цикл Ренкина состоит из двух адиабат, изотермы и изобары с регенерацией тепла, которая приближает этот цикл к идеальному циклу Карно. На транспорте трудно сделать такой идеальный цикл, так как у транспортного средства есть ограничения по массе и габаритам, которые практически отсутствуют у стационарной установки.

Читать еще:  Влияние температуры дизельного двигателя на его работу

Роторный (турбинный) двигатель внутреннего сгорания [ править ]

Примером такого устройства является тепловая электрическая станция в пиковом режиме. Порой в качестве газотурбинной установки используют списанные по технике безопасности воздушно-реактивные двигатели.

Реактивные и ракетные двигатели [ править ]

Идея реактивного и ракетного двигателя состоит в том, чтобы тяга создавалась не винтом, а отдачей выхлопных газов двигателя.

Турбовинтовой двигатель [ править ]

Турбовинтовой двигатель часть тяги создаёт за счёт винта, другую часть за счёт отдачи выхлопных газов. По конструкции он представляет собой газовую турбину (роторный двигатель внутреннего сгорания), на вал которой насажен воздушный винт.

Турбореактивный двигатель [ править ]

Турбореактивный двигатель создаёт тягу за счёт отдачи выхлопных газов. По конструкции он представляет собой газовую турбину (роторный двигатель внутреннего сгорания), на вал которой насажен компрессор, повышающий давление для эффективного сжигания топлива.

Ракетный двигатель [ править ]

Ракетный двигатель может создавать тягу в безвоздушном пространстве.

Твёрдотопливный ракетный двигатель [ править ]

Твердотопливный ракетный двигатель (РДТТ). В РДТТ всё топливо в виде заряда помещается в камеру сгорания; двигатель обычно работает непрерывно до полного выгорания топлива.

РДТТ были первыми ракетными двигателями, нашедшими практическое применение. Ракеты с РДТТ (пороховые ракеты) известны уже около 1000 лет; они использовались как сигнальные, фейерверочные, боевые. Описания «огненных стрел» — прототипов пороховых ракет — содержатся в китайских иЗЮЗийских [неизвестный термин] рукописях 10 в. Это оружие представляло собой обычные стрелы, к которым прикреплялись бамбуковые трубки, заполненные порохом. В 1-й половине 17 в. в «Уставе» Онисима Михайлова описываются первые русские ракеты — артиллерийские ядра с каналом, в котором помещался пороховой заряд. В 1798

индийцы применяли боевые ракеты против английских колонизаторов, а в 1807 англичане использовали подобные ракеты в войне с Данией (при осаде Копенгагена). Первоначально топливом для РДТТ служил дымный порох. В конце 19 в. был разработан бездымный порох, превосходивший дымный по устойчивости горения и работоспособности. В дальнейшем были получены новые высокоэффективные виды твёрдых топлив, что позволило конструировать боевые ракеты с РДТТ самой различной дальности, вплоть до межконтинентальных баллистических ракет.

Гибридный ракетный двигатель [ править ]
ЖРД (жидкостный ракетный двигатель) [ править ]

Твердотельные двигатели [ править ]

В двигателях этого типа в качестве рабочего тела используется твёрдое тело, а при работе двигателя изменяется не объём рабочего тела, а его форма. Такой двигатель позволяет использовать рекордно малый перепад температур при более высоком КПД.

Дистилляционный двигатель [ править ]

Существует разработка двигателя с внешним нагревом, в котором ротор в виде пустотелого кольца частично заполнен легкоиспаряемым твёрдым телом. Незаполненная часть ротора и часть рабочего тела нагреваются, образующийся пар перетекает из нагретой части ротора в ненагретую, нарушая тем самым равновесие ротора в поле силы тяжести. В результате ротор приводится во вращение. Особенностью двигателя является согласованность скорости вращения его ротора со скоростью испарения рабочего тела. Двигатель разработан для осуществления зонной дистилляции с многократным повторением в устройстве с вращающимся контейнером (Патент Украины №78272).

Как устроены тепловые двигатели

Как устроены тепловые двигатели? Тепловые машины могут быть устроены различным образом, но в любой тепловой машине должно быть рабочее вещество, или тело, которое в рабочей части машины совершает механическую работу, нагреватель, где рабочее вещество получает энергию и холодильник отбирающий у рабочего тела тепло. К тепловым двигателям относятся: паровая машина, двигатель внутреннего сгорания, паровая и газовая турбины, реактивный двигатель. Их топливом является твердое и жидкое топливо, солнечная и атомная энергии. Рабочим веществом может быть водяной пар или газ.

Слайд 9 из презентации «Виды тепловых двигателей». Размер архива с презентацией 553 КБ.

Физика 8 класс

«Русский учёный Ломоносов» — Ломоносов в астрономии. Весной 1765 Ломоносов простудился. Ломоносов Михаил Васильевич родился 8 ноября 1711 г. Науки юношей питают, отраду старцам подают. Ломоносов и физика. Ломоносов в науке. Благодаря упорству ему удается за 5 лет пройти весь 12-летний курс. Ломоносов и химия. Память о великом русском учёном-энциклопедисте. Ломоносов и математика. Высказывания, цитаты и афоризмы Ломоносовa. Ломоносов в химии.

«Виды тепловых двигателей» — Тепловой двигатель – устройство, преобразующее внутреннюю энергию топлива в механическую энергию. Пар, расширяясь, с силой и грохотом выбрасывал ядро. Три основные части теплового двигателя. Рабочее тело. Двигаемся на отдых! Двигатель внутреннего сгорания (ДВС). История создания тепловых двигателей. История тепловых машин уходит в далекое прошлое. Понятие об основных частях. Затем в нагретую часть ствола наливали воду.

«История развития электрического освещения» — Точку в разработке ламп накаливания поставил американский изобретатель Томас Альва Эдиссон. Необходимо отметить вклад Н.А. Карякина в развитие дуг высокой интенсивности с угольными электродами. Кстати, Сергей Иванович Вавилов был также одним из первых, кто положил начало светотехнике в СССР. В 1873 году А.Н. Лодыгин устроил первое в мире наружное освещение лампами накаливания Одесской улицы в Петербурге.

Читать еще:  Где датчик температуры дизельного двигатель

««Электромагнит» физика» — Магнитное действие катушки. Электромагниты, обладающие большой подъемной силой. Дугообразный электромагнит. Электромагнит. Электромагниты используются в качестве привода. Первый в мире электромагнит. Электромагниты. Самый большой в мире подвесной электромагнит. Качественные задачи и вопросы. Можно ли намагнитить железный гвоздь. Что называют электромагнитом. Прямоугольные электромагниты. Что объединяет эти рисунки.

«Постоянные магниты» — Свойства магнитных линий. Намагничивание железа. Магнитное поле у планеты Венера. Искусственные магниты. Магнитное поле на Луне. Магнит, имеющий один полюс. Земной шар. Магнитное поле. Магнитные полюсы Земли. Магнитные силовые линии. Магнитные свойства тел. Северный полюс. Катушка с током. Земное магнитное поле. Замкнутость силовых линий. Постоянные магниты. Магнитные аномалии. Происхождение магнитного поля.

«Тест «Тепловые явления»» — Про теплоту начнем рассказ. История с чаем. Конвекция. Перенос энергии в вакууме. Работа в группах. Зрительная гимнастика. Кривая нагревания кристаллического вещества. Излучение. Охлаждение твердого тела. Виртуальная лаборатория. Тепловые явления. Античный афоризм. Явление передачи внутренней энергии. Способ теплопередачи. Явление теплопередачи. Столбик ртути в термометрах. Благодаря какому способу теплопередачи можно греться у камина.

Всего в теме «Физика 8 класс» 110 презентаций

Тепловые двигатели. Паровая машина

Тепловой двигатель — это машина, преобразующая тепло в механическую работу. Современная техника знает четыре вида тепловых двигателей: паровую машину, паровую турбину, двигатель внутреннего сгорания и газовую турбину. Они очень непохожи друг на друга, и прежде всего — по роду используемого в них рабочего вещества: в паровых двигателях работает пар, в газовых — газы.

Затем тепловые двигатели делятся на поршневые и роторные. В поршневых — пар или газ давит на поршень, который движется внутри цилиндра двигателя и передает производимую им работу коленчатому валу. В роторных — струя газа или пара отдает энергию своего движения лопаткам, насаженным на диски или на барабан. К поршневым двигателям относятся паровая машина и двигатели внутреннего сгорания; к роторным — паровая и газовая турбины.

Каждый из тепловых двигателей, в зависимости от его особенностей, имеет в технике свое применение. Чтобы ясно представить себе, почему в том или ином конкретном случае применяется тот или иной тип двигателя, необходимо подробно ознакомиться с основами их устройства и действия.

Вверху — пар (черные стрелки) поступает в трубу а, проходит через золотник 4, через канал а и давит на поршень 2, движущийся в цилиндре 1 вправо. Из другой полости цилиндра отработавший пар (белые стрелки) проходит через канал б, через золотник и уходит в трубу 5. Движение поршня передается через шток 6 и шатун 7 коленчатому валу. 8, на котором насажен маховик 9. От этого же вала через тягу II и шток 10 приводится в движение золотник. Внизу показано обратное движение поршня.

Паровая машина — это поршневой двигатель, преобразующий потенциальную энергию пара в механическую работу. Основная часть ее — цилиндр 1, в котором движется поршень 2. Пар из парового котла, поступая то в одну, то в другую часть цилиндра, заставляет поршень двигаться вправо и влево. Это движение передается через шток 6 и шатун 7 коленчатому валу с ведущим шкивом. Пар из котла поступает по трубе в камеру. В ней расположен золотник 4 парораспределения, который приводится в движение от вала 8 через тягу 11 и шток 10. Двигаясь вправо и влево, золотник впускает пар то в одну, то в другую полость цилиндра. Когда пар входит в одну из них (например, в левую), то из другой он выходит (через отверстие 5 в трубу). Чтобы коленчатый вал вращался равномерно, на него насажен тяжелый маховик 9.

В течение всего XIX в. паровая машина была самым распространенным двигателем. Она приводила в движение станки заводов и фабрик, винты пароходов, колеса паровозов, обслуживала рудники, шахты, стройки. Но в XX в. она постепенно утратила свое былое значение. Бурно развивавшейся технике понадобились двигатели большей скорости и мощности, легкие и экономичные. Паровая машина оказалась неспособной удовлетворить эти требования. Ведь мощность ее зависит от давления пара, размеров цилиндра и числа оборотов.

Если увеличивать давление, то цилиндр надо делать меньше, чтобы он был прочнее. Если же увеличивать размер цилиндра, он будет давать меньшее число оборотов, так как быстрое движение поршня вызовет громадную силу инерции. Поэтому мощность паровых машин ограниченна. Самые мощные машины этого типа — по 17 500 л. с. каждая — были установлены на океанском пароходе, построенном в 1900 г. В настоящее время паровую машину применяют главным образом в качестве двигателя паровоза и локомобиля — легкой паросиловой установки на колесах, используемой в сельском хозяйстве.

Читать еще:  Большое давление масла в дизельном двигателе

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Двигатель внутреннего сгорания (устройство и принцип работы).

Продолжаем познавательную страничку.

В настоящее время двигатель внутреннего сгорания является основным видом автомобильного двигателя. Двигателем внутреннего сгорания (сокращенное наименование – ДВС) называется тепловая машина, преобразующая химическую энергию топлива в механическую работу.

Различают следующие основные типы ДВС:

• Поршневой двигатель внутреннего сгорания;
• Роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания;
• Газотурбинный двигатель внутреннего сгорания.

Из представленных типов двигателей самым распространенным является поршневой ДВС, поэтому устройство и принцип работы рассмотрены на его примере.

Достоинствами поршневого двигателя внутреннего сгорания, обеспечившими его широкое применение, являются:

Автономность;
• Универсальность
(сочетание с различными потребителями);
• Невысокая стоимость;
• Компактность;
• Малая масса;
• Возможность быстрого запуска;
• Многотопливность.

Вместе с тем, двигатели внутреннего сгорания имеют ряд существенных недостатков, к которым относятся:

• Высокий уровень шума;
• Большая частота вращения коленчатого вала;
• Токсичность отработавших газов;
• Невысокий ресурс;
• Низкий коэффициент полезного действия.

В зависимости от вида применяемого топлива различают следующие поршенвые ДВС:

Бензиновые двигатели;
• Дизельные двигатели.

Альтернативными видами топлива, используемыми в двигателях внутреннего сгорания, являются природный газ, спиртовые топлива – метанол и этанол, водород.

Водородный двигатель с точки зрения экологии является перспективным, т.к. не создает вредных выбросов. Наряду с ДВС водород используется для создания электрической энергии в топливных элементах автомобилей.

Поршневой двигатель внутреннего сгорания имеет следующее общее устройство:

• Корпус;
• Кривошипно-шатунный механизм;
• Газораспределительный механизм;
• Впускная система;
• Топливная система;
• Система зажигания
(бензиновые двигатели);
• Система смазки;
• Система охлаждения;
• Выпускная система;
• Система управления.

Корпус двигателя объединяет блок цилиндров и головку блока цилиндров. Кривошипно-шатунный механизм преобразует возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение коленчатого вала. Газораспределительный механизм обеспечивает своевременную подачу в цилиндры воздуха или топливно-воздушной смеси и выпуск отработавших газов.

Впускная система предназначена для подачи в двигатель воздуха. Топливная система питает двигатель топливом. Совместная работа данных систем обеспечивает образование топливно-воздушной смеси. Основу топливной системы составляет система впрыска.

Система зажигания осуществляет принудительное воспламенение топливно-воздушной смеси в бензиновых двигателях. В дизельных двигателях происходит самовоспламенение смеси.

Система смазки выполняет функцию снижения трения между сопряженными деталями двигателя. Охлаждение деталей двигателя, нагреваемых в результате работы, обеспечивает система охлаждения. Важные функции отвода отработавших газов от цилиндров двигателя, снижения их шума и токсичности предписаны выпускной системе.

Система управления двигателем обеспечивает электронное управление работой систем двигателя внутреннего сгорания.

Принцип работы двигателя внутреннего сгорания основан на эффекте теплового расширения газов, возникающего при сгорании топливно-воздушной смеси и обеспечивающего перемещение поршня в цилиндре.

Работа поршневого ДВС осуществляется циклически. Каждый рабочий цикл происходит за два оборота коленчатого вала и включает четыре такта (четырехтактный двигатель):

• Впуск;
• Сжатие;
• Рабочий ход;
• Выпуск.

Во время тактов впуск и рабочий ход происходит движение поршня вниз, а тактов сжатие и выпуск – вверх. Рабочие циклы в каждом из цилиндров двигателя не совпадают по фазе, чем достигается равномерность работы ДВС. В некоторых конструкциях двигателей внутреннего сгорания рабочий цикл реализуется за два такта – сжатие и рабочий ход (двухтактный двигатель).

На такте впуск впускная и топливная системы обеспечивают образование топливно-воздушной смеси. В зависимости от конструкции смесь образуется во впускном коллекторе (центральный и распределенный впрыск бензиновых двигателей) или непосредственно в камере сгорания (непосредственный впрыск бензиновых двигателей, впрыск дизельных двигателей). При открытии впускных клапанов газораспределительного механизма воздух или топливно-воздушная смесь за счет разряжения, возникающего при движении поршня вниз, подается в камеру сгорания.

На такте сжатия впускные клапаны закрываются, и топливно-воздушная смесь сжимается в цилиндрах двигателя.

Такт рабочий ход сопровождается воспламенением топливно-воздушной смеси (принудительное или самовоспламенение). В результате возгорания образуется большое количество газов, которые давят на поршень и заставляют его двигаться вниз. Движение поршня через кривошипно-шатунный механизм преобразуется во вращательное движение коленчатого вала, которое затем используется для движения автомобиля.

При такте выпуск открываются выпускные клапаны газораспределительного механизма, и отработавшие газы удаляются из цилиндров в выпускную систему, где производится их очистка, охлаждение и снижение шума. Далее газы поступают в атмосферу.

Рассмотренный принцип работы двигателя внутреннего сгорания позволяет понять, почему ДВС имеет небольшой коэффициент полезного действия — порядка 40%. В конкретный момент времени как правило только в одном цилиндре совершается полезная работа, в остальных – обеспечивающие такты: впуск, сжатие, выпуск.

Вот так вот, Друзья! Благодарю за внимание!

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector