Тема. Теплові машини (двигуни)

1. Теплова машина (ТМ) (тепловий двигун) – пристрій, який перетворює внутрішню енергію палива в механічну енергію двигуна.

До ТМ відноситься:

· парові машини;

· турбіни;

· парові і газові турбіни;

· ДВЗ (дизельні, карбюраторні, інжекторні);

· реактивні і турбореактивні двигуни.

Для того, щоб двигун виконував роботу, необхідна різниця тисків по обидва боки поршня двигуна або лопатей турбіни. Незважаючи на велику різноманітність видів теплових двигунів, усі вони мають загальний принцип дії. У роботі двигунів можна виділити такі загальні ознаки:

1) у будь-якому тепловому двигуні відбувається перетворення енергії палива в механічну енергію;

2) для роботи теплового двигуна потрібні нагрівник, охолоджувач і робоче тіло. У процесі роботи теплового двигуна робоче тіло забирає від нагрівника певну кількість теплоти Q₁ і перетворює частину цієї теплоти в механічну енергію, а неперетворену частину теплоти Q₂ передає охолоджувачу. За законом перетворення і збереження енергії

Q₁ = Q₂ + A;

3) робота будь-якого теплового двигуна полягає у повторюванні циклів зміни стану робочого тіла.

2. Принцип будови і роботи теплової машини

Схема будови і роботи ТМ                                                            Цикл роботи двигуна

                                                                                       р

                                                                                           

                                                                                                             1  

                                                                                                                      

                                                                                 

 

                                                                                                                                         2

                                                                                                                                   

                                                                                         0                                   V                                             

 

Нагрівник (тепловіддавач) – тіло, що віддає ТДС енергію у формі деякої кількості теплоти Q_1.

Робоче тіло – ТДС, яка здійснює круговий процес (цикл), обмінюючись енергією з іншими тілами (нагрівником і холодильником) і виконуючи роботу:

Охолоджувач (теплоприймач) – тіло, тіло що приймає від робочого тіла частину енергії у формі деякої кількості теплоти Q_1.

Паливо згоряє, виділяючи кількість теплоти Q₁ , і передає її робочому тілу. Внаслідок отриманого тепла газ (або пара) значно розширюється, виконуючи роботу  (н.п. піднімає поршень у циліндрі ДВЗ). За ІІ ЗТД неможливо, щоб , обов’язково частина енергії втрачається (на тертя, на теплообмін із зовнішнім середовищем, тощо).

Крім того ТМ, як правило, працюють циклічно. Для забезпечення додатної роботи циклу (А > 0) необхідно знизити температуру, що пройти зворотній процес (2→1) через ті самі об’єми, що і в прямому процесі (1→2), але з меншими тисками. Для цього необхідно відібрати у робочого тіла частину енергії Q₂, для чого і служить охолоджувач.

Ефективність використання енергії палива тепловою машиною визначається її ККД, тобто часткою теплоти Q₁, яку вона перетворила у роботу А.

                                                                         (18)

 

3. Цикл Карно

С. Карно – французький вчений, придумав ідеальну машину (двигун), для якої:

· робоче тіло – ідеальний газ;

· відсутнє всяке тертя

· працює за циклом Карно, який має такі складові:

1) ізотермічне розширення, в ході якого газ виконує роботу за рахунок отриманої раніше теплоти Q₁;

2) адіабатне розширення, – газ виконує роботу за рахунок внутрішньої енергії, при цьому його температура знижується від Т₁ до Т₂;

3) ізотермічне стиснення, – газ стискається, при цьому частина теплоти Q₂ переходить до охолоджувача;

4) адіабатне стиснення, – газ адіабатно нагрівається до вихідної температури Т_1.

Тобто робочі ділянки циклу Карно 1→ 2, 2→3, допоміжні ділянки (повернення газу у робочий стан) 3→ 4, 4→1.

 

Теорема Карно

Максимальний ККД будь-якої теплової машини не залежить від природи робочого тіла, а визначається тільки температурами нагрівача і охолоджувача:

                                                                              (19)                                  

     

4. Способи підвищення ККД ТМ

1. В певних межах підвищення температури нагрівника і зниження температури охолоджувача

2. Підвищення жаростійкості і жароміцності матеріалів для виготовлення двигунів.

3. Зниження втрат енергії на подолання тертя в деталях машин.

4. Зменшення теплопередачі навколишньому середовищу.

5. Застосування ТМ

1. Добування електроенергії (парові турбіни)

2. Транспорт:

– ДВЗ на автотранспорті

– Тепловози; теплоходи

– Поршневі, турбогвинтові, турбореактивні двигуни на повітряному транспорті

– Ракетні двигуни для запуску космічних супутників, станцій, кораблів

– ДВЗ – основа механізації с.г.: трактори, комбайни, самохідні шассі, насосні станції, бензопилки тощо

– Вогнепальна зброя

 

6. Проблеми охорони довкілля, пов’язані з використанням ТМ

1. 10-25% кисню, який виробляють зелені рослини, витрачається на згоряння різноманітного палива ТМ. 2% суші зайнято автостоянками і заправками.

2. Автошум – 80% технічних шумів (глушники, фільтри)

3. Викиди в атмосферу шкідливих продуктів згоряння (зола, пластівці сажі; оксиду карбону та вихлопні гази авто).

4. Сумарна номінальна Р всіх поршневих ДВЗ (без мотоциклів і човнів) у декілька разів перевищує Р всіх електростанцій.

5. До 40% забруднень середовища припадає на транспорт. Щодня кожна тисяча автомобілів викидає в атмосферу > 3т СО і сотні кг інших шкідливих речовин

6. На S = 1000 км 1 авто спалює стільки О₂, що вистачило б для дихання однієї дорослої людини на рік.

7. Навколишнє середовище, яке служить охолоджувачем для більшої частини ТМ, нагрівається, що призводить до підвищення середньої температури на Землі, а це веде до змін клімату на планеті і танення льодовиків (тобто до підвищення рівня світового Океану).

8.  На дорогах світу  автомобілів.

7. Шляхи зниження шкідливого впливу роботи ТМ

1. Підвищення ступеня згоряння палива.

2. Не допускаються до використання автомобілі із викидом СО > 1-2% (в залежності від тиску).

3. Використання палива без шкідливих викидів, у яких продукт згоряння Н₂О або О₂)

4. Заміна рідкого палива етиловий спирт, газове паливо.

5. Встановлення фільтрів, які значно зменшують викид шкідливих речовин.

6. Створення електромобілів.

7. Виготовлення веломобілів і навіть “педальних літаків”.

8. Використання енергії Сонця, річок, вітру.

*8. Холодильна машина – це ТМ, принцип дії якої ґрунтується на оборотності циклу звичайної ТМ і призначений для зниження температури у бажаному об’ємі.

ХМ працює як тепловий насос: вона передає теплоту від холодного тіла до нагрітого. Це не суперечить ІІ ЗТД, оскільки охолодження відбувається за рахунок виконання роботи зовнішніми силами компресором, електродвигуном над робочим тілом ХМ. Таким чином ХМ приводиться в дію.

⇐ Предыдущая1234Следующая ⇒

Поделиться: