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 циклла 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.


Типы тепловых двигателей[править | править код]

Двигатель 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]

Является наиболее старым тепловым двигателем, первые конструкции которого относятся к XVII веку. Использовалась вначале исключительно в стационарном применении (насосы для рудничных вод, привод вагонеток), затем была установлена на транспортные средства: паровоз, пароход, паромобиль. Имеет широкий диапазон рабочих скоростей с умеренным КПД (ранние версии около 4%, наиболее поздние 12..14%[3].

Паровая турбина[править | править код]

Иначе: турбозубчатый агрегат (ТЗА). Получила распространение вначале на военных кораблях, взамен паровых машин. Имея значительно меньшие размеры, турбина позволила улучшить скоростные и уменьшить массогабаритные показатели, при снижении экономичности на частичных нагрузках. В настоящее время имеет широчайшее применение 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.

Двигатель Стирлинга[править | править код]

Поршневой двигатель с утилизацией внешней теплоты, без потери рабочего тела, которое остаётся внутри двигателя. Имеет наивысший КПД среди двигателей внешнего сгорания, при умеренной единичной мощности и высокой стоимости. Применение: космические аппараты[4], подводные лодки[5].

Двигатель внутреннего сгорания[править | править код]

Более поздние и сложные конструкции тепловых двигателей, обладающие высокими удельными массовыми показателями, почему получили основное применение на транспорте. В силу интенсивного рабочего процесса имеют меньшую теплопередачу в стенки, и потому 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).

Газовая турбина[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).

Другие типы[править | править код]

Под классификацию тепловых двигателей внутреннего сгорания попадает огнестрельное оружие[6], 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.[7]

Примеры:

Атмосфера и гидросфера Земли[править | править код]

Эти оболочки планеты в свою очередь являются грандиозными тепловыми двигателями, работающими на перепаде температур по высоте атмосферы, глубине воды, и широте местности. Получаемая механическая работа при движении воздуха и воды, в свою очередь, переходит в тепло и рассеивается, хотя ничтожная часть её используется для привода многочисленных ветроэлектростанций и станций, работающих на температурном градиенте воды.

Примечания[править | править код]

  1. ТЕПЛОВЫЕ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ (ТЭС). helpiks.org. Дата обращения: 5 марта 2021.
  2. Тип - первичный двигатель - Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 1. www.ngpedia.ru. Дата обращения: 5 марта 2021.
  3. КПД паровоза. www.modelzd.ru. Дата обращения: 6 марта 2021.
  4. Двигатель Стирлинга (англ.). www.aqua-therm.ru. Дата обращения: 8 марта 2021.
  5. Двигатель Стирлинга | Методолог. www.metodolog.ru. Дата обращения: 8 марта 2021.
  6. Ландсберг Г.С. Элементарный учебник физики. Том I. Механика. Теплота. Молекулярная физика. — М.: Наука, 1971. — Тираж 300 000 экз. — С. 647
  7. журнал «Техника молодёжи»[уточнить]
  8. The Johnson Thermoelectric Energy Conversion System (JTEC) (article). Bright Hub (26 сентября 2010). Дата обращения: 26 сентября 2010.
  9. журнал «Техника молодёжи» 1976 № 11, страница 44 — «И это предвидел Карно»,

Ссылки[править | править код]