Тепловой двигатель

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Тепловой двигатель преобразует часть теплоты горячего источника в работу, отдавая остальную холодному источнику

Теплово́й дви́гатель — тепловая машина, использующая теплоту от внешних источников (двигатель внешнего сгорания) или получаемую при сгорании топлива внутри двигателя (в камере сгорания или цилиндрах двигателя внутреннего сгорания) для преобразования в механическую энергию (поступательное движение либо вращение выходного вала). В соответствии с законами термодинамики, такие двигатели имеют коэффициент полезного действия меньше единицы, что означает неполное преобразование теплоты в механическую энергию. Смотря по конструкции двигателя, от 40 до 80 процентов поступающей (или выделяющейся внутри) энергии покидает машину в виде низкотемпературной теплоты, которая в ряде случаев используется для обогрева салона (наземный транспорт), жилых зданий и сооружений (для неподвижных стационарных двигателей), либо просто выбрасывается в атмосферу (авиационные двигатели, маломощные двигатели ручного инструмента, лодочных моторов и подобные). В таких случаях говорят о коэффициенте использования тепла топлива, который выше КПД самого двигателя[1].

Важным аспектом любого теплового двигателя является вид и количество потребляемого им топлива, а также обусловленное этим загрязнение окружающей среды. Паровые турбины, преобразующие теплоту атомного реактора и солнечные тепловые станции топлива не сжигают, остальные же зависят от имеющихся энергоносителей, которые во многих случаях транспортируются издалека. Совокупность имеющихся в государстве тепловых двигателей (преобразующих энергию для вторичных двигателей, обычно электрическую) мест добычи топлива и транспортной инфраструктуры для его транспортировки называется топливно-энергетическим комплексом. Тепловые двигатели являются первичными, в отличие от вторичных (электрические, гидромоторы, и другие, получающие энергию от первичных)[2].

Теория[править | править код]

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():

Однако, смотря по устройству двигателя, его теоретический КПД может быть меньше такого для цикла Карно. Так, для наиболее распространённого двигателя Отто, работающего по циклу Отто, теоретический КПД цикла составляет:

, где:

Так называемый индикаторный КПД меньше теоретического, что показывает несовершенство осуществляемого цикла (отличие индикаторной диаграммы от теоретической ввиду потерь теплоты в стенки, отличного от нуля времени нагрева газа, наполнения и очистки цилиндра).

В свою очередь, эффективный КПД (учитывающий все потери, до выходного вала) ещё меньше на сумму механических потерь и потерь на привод систем двигателя (масляный насос, системы газораспределения, охлаждения и другие - в зависимости от устройства).

Циклы тепловых двигателей[править | править код]

Почти любая спроектированная конструкция теплового двигателя использует термодинамический цикл, показывающий изменение состояния рабочего тела. Это не относится к твердотельным двигателям, у которых меняется состояние конструкции двигателя, а не газа или жидкости внутри него. Наиболее широко известны цикл Ренкина, регенеративный цикл (паровые машины), классический цикл Отто, цикл Дизеля.


Тепловые двигатели внешнего сгорания[править | править код]

Такие двигатели получили распространение раньше, ввиду неприхотливости к виду топлива, более простому устройству, ненужности в ранних вариантах (паровая машина) систем запуска, зажигания, охлаждения. Дали мощный импульс индустриализации, поскольку с их помощью были механизированы шахты, швейные и другие фабрики, затем транспорт (железная дорога). Улучшенные новые схемы таких двигателей обеспечивают мир большей частью вырабатываемой электроэнергии (ТЭС, АЭС, ТЭЦ, солнечные электростанции с нагревом котла). Новейшие модели паровозов до сих пор имеют применение ввиду простоты и потреблению древесной пыли в качестве топлива. Некоторые (двигатель Стирлинга) получили применение в космических кораблях.

Паровая машина[править | править код]

Тепловой двигатель, в котором потенциальная энергия водяного пара преобразуется в механическую работу поршня, движущегося возвратно-поступательно или вращательно под давлением пара в закрытом цилиндре. Любая паровая машина является поршневой, а не поршневых паровых машин не бывает. Всегда работает в связке с паровым котлом, являющимся для самой паровой машины внешним источником тепла.[3]
Паровая машина есть наиболее старый тепловой двигатель, первые конструкции которого относятся к XVII веку. Использовалась вначале исключительно в стационарном применении (насосы для рудничных вод, привод вагонеток), затем была установлена на такие транспортные средства, как паровоз, пароход, паромобиль. Легко реверсируется. Имеет широкий диапазон рабочих скоростей с умеренным КПД (ранние версии около 4%, наиболее поздние 12..14%[4].

Паровая турбина[править | править код]

Тепловой двигатель, в котором в котором потенциальная энергия водяного пара преобразуется в кинетическую, а та, в свою очередь, преобразуется в механическую энергию вращения вала.[5] Работа паровой турбины основана на расширении водяного пара, подаваемого через сопла на лопаточную машину турбины, что за счёт кинетической энергии струй пара, воздействующих на рабочие лопатки, и обеспечивает механическую работу на валу турбины.[6]
Всегда работает в связке с паровым котлом или парогенератором, являющимся для самой паровой турбины внешним источником тепла.
Применяется в мощных промышленных теплоэнергетических установках: на тепловых и атомных электростанциях, где хороший КПД паровых турбин поддерживается за счёт высоких показателей (температура, давление) пара и режима работы агрегата, близкого к максимальной мощности.[7]

Двигатель Стирлинга[править | править код]

Тепловой двигатель, в котором рабочее тело в виде газа движется в замкнутом объёме, за счёт периодическом нагрева и охлаждения с извлечением энергии из возникающего при этом изменения давления. Может работать не только от сжигания топлива, но и от любого источника тепла.[8] Применение: суда, стационарные энергетически установки, космические аппараты. [9]

Тепловые двигатели внутреннего сгорания[править | править код]

Двигатели внутреннего сгорания — собирательное обозначение любых тепловых двигателей, преобразующих в работу химическую энергию топлива за счёт его сгорания внутри самого двигателя в специально сконструированной для этих целей камере сгорания, органически входящей в конструкцию самого двигателя и являющейся его неотъемлемым элементом. Рабочим телом в любых тепловых двигателях внутреннего сгорания всегда являются продукты сгорания топлива. Работа расширения газообразных продуктов сгорания в таких двигателях организована по разному, и может происходить за счёт вращения вала, за счёт реактивной струи из продуктов сгорания или комбинировано. Различают следующие типы тепловых двигателей внутреннего сгорания: поршневые, в которых работа расширения газообразных продуктов сгорания производится в цилиндре (воспринимается поршнем, возвратно-поступательное движение которого преобразуется во вращательное движение коленчатого вала) или используется непосредственно в машине, приводимой в действие; газотурбинные, в которых работа расширения продуктов сгорания воспринимается рабочими лопатками ротора; реактивные, в которых используется реактивное давление, возникающее при истечении продуктов сгорания из сопла.[10]

Тепловые двигатели внутреннего сгорания являются более поздними и сложными конструкциями тепловых двигателей. Они обладают высокими удельными массовыми показателями, поэтому получили основное применение на транспорте. В силу интенсивного рабочего процесса имеют меньшую теплопередачу в стенки, что даёт более высокий термический КПД. Единственные двигатели, обеспечивающие полёты, включая космические (вывод на орбиту).

Поршневой двигатель внутреннего сгорания[править | править код]

Наиболее распространённый (по числу) тепловой двигатель. Устанавливается на многочисленные транспортные средства, также на локомотивы, электростанции умеренной мощности, морские суда и корабли. Особенностью является хороший КПД в широких диапазонах мощности. Требует трансмиссии (кроме дизель-молотов и свободно-поршневых генераторов газа).

Газотурбинный двигатель[править | править код]

Иначе: газотурбинный двигатель. Имеет сравнительно узкий диапазон мощностей с достаточным КПД, зато более высокие массогабаритные показатели. Отдаёт крутящий момент с достаточно большими оборотами, часто требует редуктора, системы запуска, зажигания, и других. Использовался в турбовинтовых двигателях самолётов, широко применяется в мощных электростанциях, силовых установках кораблей и быстроходных судов (судно на воздушной подушке, глиссер, судно на подводных крыльях).

Реактивный двигатель[править | править код]

Одновременно является движителем (отдаёт мощность в виде поступательного движения газа). Применяется в авиации (реактивный самолёт) и космонавтике (химический ракетный двигатель). Способен работать в безвоздушном пространстве (в камеру сгорания подаётся как топливо, так и окислитель).

Нетипичные тепловые двигатели[править | править код]

Под классификацию тепловых двигателей внутреннего сгорания также попадает огнестрельное оружие[11], дизель-молот и свободнопоршневой генератор газа.

Твёрдотельные двигатели[править | править код]

Такие двигатели используют твёрдый материал (вещество в твёрдой фазе) в качестве рабочего тела. Работа совершается при изменении формы рабочего тела. Позволяют использовать малые перепады температур.[12]

Примеры:

Примечания[править | править код]

  1. ТЕПЛОВЫЕ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ (ТЭС). helpiks.org. Дата обращения: 5 марта 2021. Архивировано 30 апреля 2018 года.
  2. Тип - первичный двигатель - Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 1. www.ngpedia.ru. Дата обращения: 5 марта 2021. Архивировано 14 января 2019 года.
  3. «Паровые машины» . — С. 7. 1-1. Понятие о работе и устройстве паровой машины.
  4. КПД паровоза. www.modelzd.ru. Дата обращения: 6 марта 2021. Архивировано 1 апреля 2021 года.
  5. «Тепловые двигатели» . — С. 7. 1-1. Паровые турбины. Краткая история развития. (абзац 1).
  6. «Тепловые двигатели» . — С. 7. 1-1. Паровые турбины. Краткая история развития. (абзац 3).
  7. «Тепловые двигатели» . — С. 5. 1-1. Введение.
  8. «Судовые поршневые двигатели внешнего сгорания (двигатели Стирлинга)» . — С. 10. §2 Принцип действия.
  9. «Судовые поршневые двигатели внешнего сгорания (двигатели Стирлинга)» . — С. 4. Предисловие.
  10. Двигатель внутреннего сгорания — Большая российская энциклопедия. Большая российская энциклопедия. Дата обращения: 23 мая 2021. Архивировано 10 августа 2020 года.
  11. Ландсберг Г.С. Элементарный учебник физики. Том I. Механика. Теплота. Молекулярная физика. — М.: Наука, 1971. — Тираж 300 000 экз. — С. 647
  12. журнал «Техника молодёжи»[уточнить]
  13. The Johnson Thermoelectric Energy Conversion System (JTEC) (article). Bright Hub (26 сентября 2010). Дата обращения: 26 сентября 2010. Архивировано 7 октября 2010 года.
  14. журнал «Техника молодёжи» 1976 № 11, страница 44 — «И это предвидел Карно»,

Литература[править | править код]

Ссылки[править | править код]