Что может быть рабочим телом двигателя

тепловой двигатель

Изобретение предназначено для преобразования тепловой энергии в механическую. Двигатель содержит барабан, установленный на горизонтальной оси с возможностью вращения, термобиметаллические элементы и источники тепла. Внутри барабана установлена система диаметрально расположенных прямых закрытых трубок, частично заполненных жидкостью, равномерно удаленных друг от друга в окружном направлении, соответственно смещенных друг за другом в направлении оси барабана и упруго закрепленных своими концами в установленных на внутренней поверхности барабана втулках. Термобиметаллические элементы выполнены в виде консольно закрепленных внутри втулок пластинок, размещенных в поперечных плоскостях барабана по одну сторону от трубок в направлении кругового обхода барабана, а источники тепла размещены параллельно оси барабана с двух его сторон и в одной горизонтальной плоскости с последней. Конструкция двигателя позволяет повысить его кпд. 2 ил.

Формула изобретения

Тепловой двигатель, содержащий барабан, установленный на горизонтальной оси с возможностью вращения, термобиметаллические элементы и источники тепла, отличающийся тем, что внутри барабана установлена система диаметрально расположенных прямых закрытых трубок, частично заполненных жидкостью, равномерно удаленных друг от друга в окружном направлении, соответственно смещенных друг за другом в направлении оси барабана и упруго закрепленных своими концами в установленных на внутренней поверхности барабана втулках, термобиметаллические элементы выполнены в виде консольно закрепленных внутри втулок пластинок, размещенных в поперечных плоскостях барабана по одну сторону от трубок в направлении кругового обхода барабана, а источники тепла размещены параллельно оси барабана с двух его сторон и в одной горизонтальной плоскости с последней.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к преобразователям тепловой энергии в механическую, а именно к тепловым двигателям с твердым рабочим телом.

Известны тепловые двигатели, содержащие кольцевой выполненный из пассивного и активного слоев металла и проходящий через зоны нагрева и охлаждения рабочий элемент, соединенный с валом отбора мощности и прижатый к цилиндрическим роликам, установленным с возможностью вращения на неподвижном основании /см. а.с. СССР 478123, кл. F 03 G 7/06, 1973 [1]/. При этом рабочие элементы могут быть выполнены в виде двух двухслойных, соприкасающихся пассивными слоями концентрично закрепленных дисков с установленными на их периферии роликами /см. а.с. СССР 709830, кл. F 03 G 7/06, 1978 [2]/, либо в виде также двухслойных цилиндрических колец, плотно входящих одно в другое /см. а.с. СССР 1000590, кл. F 03 G 7/06, 1981 [3]/.

Однако все вышеуказанные тепловые двигатели характеризуются предельно низкими экономичностью и кпд. Это объясняется тем, что механическая работа в данных двигателях, совершаемая в результате преобразования тепловой энергии и идущая на создание вращающего момента, затрачивается непосредственно на тепловые изгибные деформации рабочего элемента, то есть последний выполняет функции силового исполнительного механизма. В результате этого возникает необходимость в развитии значительных удельных мощностей при тепловых деформациях, возможность компенсации изгибных деформаций рабочего элемента упругими деформациями других элементов и т.п.

Наиболее близким устройством того же назначения к заявляемому изобретению по совокупности признаков является тепловой двигатель, содержащий установленные на параллельных горизонтальных осях подвижный и неподвижный барабаны, термобиметаллическое устройство в виде полого цилиндра, соосно охватывающего неподвижный барабан с прикрепленными к нему упругими элементами и прижатого пружиной к подвижному барабану, и источник тепла /см. а.с. СССР 987162, кл. F 03 G 7/06, 1981, [4]/, и принятый за прототип.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного теплового двигателя, принятого за прототип, относятся низкие экономичность и кпд, что объясняется непосредственным преобразованием в данном двигателе тепловых изгибных деформаций рабочего элемента в механическую работу, затрачиваемую на создание вращающегося момента.

Сущность изобретения заключается в создании теплового двигателя, в котором формирование однонаправленного вращающего момента происходит путем периодического преобразования тепловой энергии источника как в тепловые изгибные деформации рабочего элемента, так и в неуравновешенную силу тяжести, возникающую при перетекании жидкости из одной части замкнутой системы в другую часть.

Технический результат — повышение экономичности и кпд теплового двигателя.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном тепловом двигателе, содержащем барабан, установленный на горизонтальной оси с возможностью вращения, термобиметаллические элементы и источники тепла, особенность заключается в том, что внутри барабана установлена система диаметрально расположенных прямых закрытых трубок, частично заполненных жидкостью, равномерно удаленных друг от друга в окружном направлении, соответственно смещенных друг за другом в направлении оси барабана и упруго закрепленных своими концами в установленных на внутренней поверхности барабана втулках, термобиметаллические элементы выполнены в виде консольно закрепленных внутри втулок пластинок, размещенных в поперечных плоскостях барабана по одну сторону от трубок в направлении кругового обхода барабана, а источники тепла размещены параллельно оси барабана с двух его сторон и в одной горизонтальной плоскости с последней.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 схематично изображен предлагаемый тепловой двигатель, общий вид; на фиг.2 — вид А на фиг.1 с центральным поперечным разрезом.

Тепловой двигатель содержит барабан 1, установленный на горизонтальных полуосях 2 в подшипниках 3 с возможностью вращения, размещенную внутри барабана 1 систему диаметрально расположенных прямых закрытых трубок 4, частично заполненных жидкостью 5, равномерно удаленных друг от друга в окружном направлении, соответственно смещенных друг за другом в направлении оси барабана 1 и упруго закрепленных своими концами в установленных на внутренней поверхности барабана 1 втулках 6, термобиметаллические элементы, выполненные в виде консольно закрепленных внутри втулок 6 пластинок 7, размещенных в поперечных плоскостях барабана 1 по одну сторону от трубок 4 в направлении кругового обхода барабана 1, а также источники тепла 8, размещенные параллельно продольной оси барабана 1 с двух его сторон и в одной горизонтальной плоскости с осью барабана 1. Упругое крепление концов трубок 4 во втулках 6 осуществлено с помощью размещенного внутри втулок 6 мягкого упругого материала 9, в котором в зоне расположения и рабочего хода при изгибе термобиметаллического элемента 7 выполнена радиальная прорезь /на чертежах не показана/. В барабане 1 в местах установки на его внутренней поверхности втулок 6 выполнены сквозные отверстия для обеспечения непосредственной связи термобиметаллических элементов 7 с тепловым полем источников тепла 8. Активный слой в термобиметаллических элементах 7 /консольных пластинках/ выполнен из немагнитной стали и расположен на сторонах пластинок 7, контактирующих с внутренней поверхностью втулок 6, пассивный слой выполнен из инвара и расположен на сторонах пластинок 7, контактирующих с концами трубок 4.

В качестве мягкого упругого материала 9 применена теплостойкая пористая резина, имеющая рабочую температуру до +300 o С и малую удельную жесткость, достаточную для упругой концентричной ориентации трубок 4 во втулках 6, однако практически не препятствующую нормальной работе термобиметаллического элемента 7.

Работа теплового двигателя осуществляется следующим образом.

При выключенных источниках тепла 8 подвижная система, состоящая из барабана 1 со втулками 6 и трубок 4 с жидкостью 5, находится в положении статического равновесия, при этом одна из трубок 4 /фиг.1/ находится в положении, близком к горизонтальному. При включении источников тепла 8 термобиметаллические элементы 7 с обоих концов данной трубки 4 нагреваются и изменяют свою форму показанным на фиг.1 образом. При этом свободные концы консолей 7 приподнимают свободные концы трубки 4, вследствие этого последняя несколько разворачивается относительно горизонтального положения в пределах втулок 6 в направлении против часовой стрелки. Естественно, что такой разворот приводит к смещению жидкости 5 в левую на фиг.1 часть трубки 4, нарушению положения статического равновесия барабана 1 с трубками 4 и, соответственно, к повороту барабана 1 в направлении против хода часовой стрелки на заданный угол в новое положение статического равновесия. При этом, выходя из зоны нагрева, термобиметаллические элементы 7 данной трубки 4 охлаждаются и принимают плоское состояние с ориентацией вдоль внутренней поверхности втулок 6, а за счет действия упругого материала 9 внутри втулок 6 данная трубка 4 принимает концентричное относительно втулок 6 положение. Заданный угол поворота барабана 1, обусловленный перетеканием жидкости 5 только в одной горизонтальной трубке 4, то есть шаговый угол поворота, должен быть равным величине угла между соседними трубками 4 в окружном направлении. При выполнении указанного условия при повороте барабана 1 за счет перетекания жидкости 5 в одной горизонтально расположенной трубке 4 следующая за ней при движении против часовой стрелки трубка 4 займет горизонтальное положение, процесс шагового поворота повторится и т.д., в результате чего будет происходить процесс непрерывного и практически плавного вращения барабана 1 в подшипниках 3. Требуемый подбор заданной величины шагового угла поворота барабана 1 осуществляется точной регулировкой конструктивно-технологических параметров устройства: рабочего хода биметаллических элементов 7, плотности жидкости 5, продольных и поперечных размеров трубок 4 и т.д. К смещению же трубок 4 в направлении вдоль оси барабана 1 не предъявляется жестких требований, поскольку это смещение обеспечивает диаметральное расположение трубок 4 без контакта друг с другом, и главное — независимый поочередный нагрев каждой пары биметаллических элементов 7, контактирующих с горизонтально ориентированными в данный момент времени трубками 4. Ориентация источников тепла 8 в горизонтальной плоскости и их протяженность вдоль образующих барабана 1 /на чертежах это не показано/ при размерах по вертикали в пределах диаметра втулок 6 обеспечивает одновременное нахождение в зоне нагрева только двух термобиметаллических элементов 7 и остывание в это время остальных элементов.

Для упрощения понимания принципа работы двигателя достаточно рассмотреть процесс его работы постепенно, считая, что источники тепла 8 периодически выключаются, то есть весь процесс происходит как бы релейно. Источник 8 выключен, система трубок 4 находится в равновесии, одна трубка 4 горизонтальна, источник тепла 8 включился, жидкость 5 в горизонтальной трубке 4 перетекает влево, система начинает поворот против часовой стрелки, источник 8 отключается, система занимает новое положение равновесия, при котором следующая трубка 4 занимает горизонтальное положение, источник тепла 8 опять включается, система опять поворачивается и т.д.

В известных тепловых двигателях /см.[1]-[4]/ вращающий момент создается непосредственно за счет тепловых изгибных деформаций термобиметаллических элементов, выжимающих участки вращающегося барабана из зоны нагрева и выполняющих функции силового исполнительного механизма. В предлагаемой конструкции однонаправленный вращающий момент создается путем периодического преобразования тепловой энергии источника тепла не только в тепловые изгибные деформации термобиметаллических элементов, но и в неуравновешенную силу тяжести, возникающую при перетекании жидкости из одной части горизонтально ориентированной трубки в другую часть при повороте трубки за счет тепловых деформаций. Это позволяет равномерно распределить нагрузки на силовой исполнительный механизм, снизить развиваемые удельные мощности при тепловых изгибных деформациях термобиметаллических элементов и тем самым повысить экономичность и кпд теплового двигателя.

Тепловой двигатель

Условия, необходимые для работы теплового двигателя

Тепловым двигателем называется машина, в которой происходит превращение энергии, полученной при сгорании топлива, в механическую энергию.

Вещество, производящее работу в тепловых двигателях, называется рабочим телом или рабочим веществом. В паровых двигателях таким рабочим веществом является пар, а в двигателях внутреннего сгорания – газ.

Установим общие условия (относящиеся ко всем тепловым двигателям), которые необходимы, чтобы преобразовать энергию топлива в энергию движения машин и механизмов. Эти условия мы выясним на примере работы паросиловой установки, схема которой изображена на рисунке.

Одна из частей паросиловой установки – топка с паровым котлом С. В котле образуется пар, который под давлением направляется по трубе М в цилиндр паровой машины Е. Здесь пар расширяется и, двигая поршень, совершает работу. Посредством передающего механизма А возвратно-поступательное движение поршня преобразуется во вращательное движение маховика, который приводит в движение рабочие части станков, сельскохозяйственных машин, генераторов тока и т. д.

Отработавший и вследствие этого охладившийся пар выталкивается в особое устройство К, называемое конденсатором, где он, проходя через трубы, охлаждаемые проточной водой, теряет ещё часть своей внутренней энергии и превращается в воду. Эта вода идёт сначала в питательный бак P, где очищается, а из него насосом N подаётся обратно в котел.

Итак, основные части паросиловой установки следующие: нагреватель (котёл с топкой), цилиндр с рабочим веществом (паром) и холодильник (конденсатор).

Особенность работы тепловых двигателей состоит в том, что часть энергии, которую получает рабочее вещество от нагревателя, обязательно отдаётся холодильнику (конденсатору).

Пусть рабочее тело получило от нагревателя количество теплоты Q₁ калорий. Часть этого количества теплоты в двигателе превращается в механическую энергию, а остальная часть, пусть это будет Q₂ калорий, переходит от рабочего тела к холодильнику. Работа производится лишь за счёт разности энергии Q₁ – Q₂.

Во всяком тепловом двигателе не всё количество теплоты, полученное рабочим телом от нагревателя, превращается в механическую энергию. Часть количества теплоты обязательно поглощается холодильником. В этом заключается важнейшая особенность работы теплового двигателя.

Механическая энергия движущихся тел при всех превращениях полностью переходит во внутреннюю энергию тел.

Иначе обстоит дело, когда, наоборот, внутренняя энергия тела превращается в механическую энергию. Практика показала, например, что внутренняя энергия газа или пара лишь частично превращается в энергию движения механизмов.

Причину этого нетрудно понять, если вспомнить, что внутренняя энергия тел складывается из кинетической и потенциальной энергии атомов и молекул, которые находятся в состоянии хаотического движения. Как, например, можно было бы произвести полное превращение внутренней энергии порции пара в кинетическую энергию движения поршня паровой машины? Для этого многие миллиарды беспорядочно мечущихся молекул должны были бы дружно подлететь к поршню и передать ему весь свой запас кинетической энергии.

Даже если бы такой процесс был возможен, то всё равно при этом сохранится часть внутренней энергии пара в виде потенциальной энергии взаимодействия молекул.

Итак, внутренняя энергия тел не может полностью переходить в механическую энергию движения механизмов. Этот вывод имеет огромное практическое значение, так как он связан с проблемой повышения коэффициента полезного действия двигателей.

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Полезная работа — двигатель

Полезная работа двигателя при ходе вверх расходуется на подъем жидкости. [1]

Сгорание является важнейшим процессом, обусловливающим полезную работу двигателя , так как при этом происходит превращение химической энергии топлива в тепловую и далее в механическую. [2]

Отношение той части энергии, которая пошла на совершение полезной работы двигателя , ко всей энергии, выделившейся при сгорании топлива, называют коэффициентом полезного действия теплового двигателя. [3]

Работа, произведенная в течение цикла, а следовательно и полезная работа двигателя с одним единственным источником тепла, будет отрицательна или в крайнем случае равна нулю. [4]

При сгорании топлива в цилиндрах лишь незначительная часть тепла превращается в полезную работу двигателя ( 20 — 35 %), большая же часть его уходит на различные потери. Значительную часть тепла уносят отработавшие газы, остальное тепло передается стенкам цилиндров и камер сгорания. Для того чтобы избежать их перегрева, это тепло необходимо отвести и передать окружающему воздуху. Для отвода тепла у двигателей грузовых автомобилей и автобусов применяется жидкостная система охлаждения. [5]

При прочих равных условиях с изменением теплового заряда в циклах двигателей внутреннего сгорания и газовых турбин будет меняться эффективный КПД в связи с тем, что работа холостого хода двигателя будет составлять различную долю от полезной работы двигателя . [7]

Площадь верхней петли индикаторной диаграммы положительна, поскольку составляющие ее процессы направлены по часовой стрелке. Она представляет собой полезную работу двигателя за один цикл, называемую индикаторной работой. [8]

Работа на этом последнем участке кругового процесса совершается за счет некоторой доли положительной работы, полученной на первом участке. Lcm составляет положительную полезную работу двигателя за один цикл, передаваемую при помощи специального механизма внешнему объекту работы. [9]

Мощность, которая расходуется на это, называют реактивной, а мощность, идущую на полезную работу двигателей и других приемников электроэнергии — активной. [10]

В цилиндры двигателя внутреннего сгорания вводят топливо и необходимый для его сгорания воздух. При сгорании топлива значительно нагреваются газы ( продукты сгорания), образовавшиеся в цилиндре. Газы, расширяясь при нагревании, давят на поршень, который через шатун приводит во вращение коленчатый вал двигателя. Полезная работа двигателя расходуется на привод рабочих органов той машины, на которой установлен двигатель. [11]

В цилиндры двигателя внутреннего сгорания вводят топливо и необходимый для его сгорания воздух. При сгорании топлива значительно повышается температура и давление газов ( продуктов сгорания), образовавшихся в цилиндре. Газы при нагревании давят на поршень, который через шатун приводит во вращение коленчатый вал двигателя. Полезная работа двигателя расходуется на привод рабочих органов машины, на которой он установлен. [12]

Наддув по этой системе увеличивает мощность двигателя. Это происходит в том случае, когда прирост мощности от нагнетателя превышает мощность, потребляемую приводом. Следует отметить, что этот избыток мощности снижается по мере уменьшения нагрузки двигателя вследствие увеличения относительной работы, затрачиваемой на привод нагнетателя. Из-за расхода части полезной работы двигателя на привод нагнетателя его экономичность снижается. В качестве наддувочных агрегатов обычно используют нагнетатели объемного типа и центробежные компрессоры. Центробежные компрессоры компактны вследствие их большой быстроходности. Однако ненадежность механического привода центробежного компрессора и повышенная шумность агрегата при работе снижают его достоинства. Как правило, приводные центробежные компрессоры используют для наддува четырехтактных двигателей. В двухтактных двигателях наибольшее распространение имеют объемные нагнетатели типа Рут. [13]

В течение цикла работа сил давления газа при расширении должна быть больше работы при сжатии. Это необходимо для того, чтобы в целом за цикл работа сил давления была положительной. Температура газа при его сжатии должна быть ниже, чем при расширении. Тогда давление газа во всех промежуточных состояниях при сжатии будет меньше, чем при расширении, и будет выполнено условие, необходимое для получения положительной работы, которую часто называют полезной работой двигателя . [14]

От какого-либо источника тепла с температурой выше температуры окружающей среды к рабочему телу подводится тепло. С приходом поршня в крайнее положение расширение рабочего тела заканчивается. Чтобы двигатель работал, необходимо поршень привести в первоначальное положение, а рабочее тело в первоначальное состояние. При этом часть работы L2 будет затрачена на сжатие рабочего тела. Разность работ расширения и сжатия определяет величину полезной работы двигателя , которая может быть использована для приведения в действие машин. [15]

Принцип работы теплового двигателя

Тепловой двигатель — это устройство, преобразующее внутреннюю энергию топлива в механическую энергию.

Согласно механическую работу за счет охлаждения окружающих тел, если он не только получает теплоту от более горячего те­ла (нагревателя), но при этом отдает теплоту менее нагретому телу (холодильнику). Следовательно, на совершение работы идет не все количество теплоты, полученное от нагревателя, а только часть ее.

Таким образом, основными элементами любого теплового двигателя являются:

1) рабочее тело (газ или пар), совершающее работу;

2) нагреватель, сообщающий энергию рабочему телу;

3) холодильник, поглощающий часть энергии от рабочего те­ла.

Тепловые двигатели: принцип действия, устройство, схема

Рассмотрим тепловые двигатели, принцип действия этих механизмов. В земной коре и мировом океане запасы внутренней энергии можно считать неограниченными. Для того чтобы решать практические задачи, ее явно недостаточно. Устройство и принцип действия теплового двигателя необходимо знать для того, чтобы приводить в движение токарные станки, транспортные средства. Человек нуждается в таких устройствах, которые могут совершать полезную работу.

Тепловые двигатели, принцип действия которых мы рассмотрим, являются основными на нашей планете. Именно в них происходит превращение внутренней энергии в механический вид.

Особенности теплового двигателя

Каков принцип действия теплового двигателя? Кратко его можно представить на простом опыте. Если в пробирку налить воду, закрыть пробкой, довести до кипения, она вылетит. Причина выскакивания пробки заключается в совершении паром внутренней работы. Процесс сопровождается превращением внутренней энергии пара в кинетическую величину для пробки. Тепловые двигатели, принцип действия которых аналогичен описанному эксперименту, отличаются строением. Вместо пробирки используется металлический цилиндр. Пробка заменена поршнем, плотно прилегающим к стенкам, перемещающимся вдоль цилиндра.

Алгоритм действия

Тепловыми машинами называют механизмы, где наблюдается превращение внутренней энергии топлива в механический вид.

Для совершения двигателем полезной работы, должна быть создана разность давлений с обеих сторон поршня либо лопастей мощной турбины. Для достижения такой разности давлений происходит повышение температуры рабочего тела на тысячи градусов в сравнении с ее средним показателем в окружающей среде. Происходит подобное повышение температуры в процессе сгорания топлива.

Изменения температур

У всех современных тепловых машин выделяют рабочее тело. Им принято называть газ, совершающий в процессе расширения полезную работу. Начальную температуру, обозначаемую Т1, он приобретает в паровом котле машины или турбины. Называют этот показатель температурой нагревателя. В процессе совершения работы происходит постепенная потеря газом энергии. Это приводит к неизбежному охлаждению рабочего тела до некоторого показателя Т2. Значение температуры должно быть ниже показателя окружающей среды, иначе давление газа будет иметь меньший показатель, чем атмосферное давление, и работа двигателем не будет совершена.

Показатель Т2 называют температурой холодильника. В его качестве выступает атмосфера либо специальное устройство, необходимое для конденсации и охлаждения отработанного пара.

Некоторые факты

Итак, тепловые двигатели, принцип действия которых основывается на расширении рабочего тела, не способны отдавать для совершения работы всю внутреннюю энергию. В любом случае часть тепла будет передаваться атмосфере (холодильнику) вместе с отработанным паром либо выхлопными газами турбин или двигателей внутреннего сгорания.

КПД тепловых машин

Каков принцип действия тепловой машины? КПД теплового двигателя зависит от величины полезной работы, совершаемой газом. С учетом того, что невозможно полностью превратить внутреннюю энергию в работу теплового двигателя, можно объяснить необратимость природных процессов и явлений. В том случае, если бы наблюдалось самопроизвольное возвращение теплоты к нагревателю от холодильника, внутренняя энергия в полном объеме превращалась бы в полезную работу посредством теплового двигателя.

Коэффициентом полезного действия называют отношение полезной работы, совершаемой тепловым двигателем, к тому количеству тепла, которое передано холодильнику. В физике принято выражать данную величину в процентах. Таков принцип действия теплового двигателя. Схема его понятна и проста, доступна даже ученикам средней школы. Законы термодинамики дают возможность проводить вычисления максимального значения коэффициента полезного действия.

Изобретение тепловой машины

Первым изобретателем машины, использующей тепло, стал Сади Карно. Он разработал идеальную машину, в которой рабочим телом выступал идеальный газ. Кроме того, ученому удалось определить показатель КПД для такого устройства, используя значения температуры холодильника и нагревателя.

Карно удалось определить зависимость между реальной тепловой машиной, функционирующей на основе нагревателя, и холодильником, в качестве которого выступает воздух или конденсатор. Благодаря математической формуле, предложенной Карно для его первой идеальной тепловой машины, определяется максимальное значение КПД. Между температурой нагревателя и холодильника существует прямая связь.

Для того чтобы машина полноценно функционировала, значение температуры не должно быть меньше ее показателя в окружающем воздухе. При желании можно повышать температуру нагревателя, не забывая о том, что у каждого твердого тела есть определенная жаропрочность. По мере нагревания оно теряет свою упругость, а при достижении температуры плавления просто плавится.

Благодаря инновациям, которые достигнуты в современной инженерной промышленности, происходит постепенное повышение КПД теплового двигателя. Например, снижается трение между его отдельными частями, устраняются потери, возникающие из-за неполного сгорания топлива.

Двигатель внутреннего сгорания

Он представляет собой тепловую машину, где в виде рабочего тела применяют высокотемпературные газы, получаемые в процессе сгорания разного вида топлива внутри камеры. Выделяют четыре такта в работе автомобильного двигателя. Среди составных его частей назовем впускной и выпускной клапаны, камеру сгорания, поршень, цилиндр, свечу, шатун, а также маховик.

На первом этапе наблюдается плавное передвижение клапана вниз, процесс происходит благодаря заполнению камеры рабочей смесью. В конце первого такта впускной клапан закрывается. Далее поршень передвигается вверх, при этом происходит сжатие рабочей смеси. Появление искры в свече приводит к воспламенению горючей смеси. Давление, которое оказывают пары воздуха и бензина на поршень, приводят к его самопроизвольному движению вниз, поэтому такт называют «рабочим ходом». В движение приводится коленчатый вал. На четвертом этапе открывается выпускной клапан, происходит выталкивание в атмосферу отработанных газов.

Принципы действия тепловых машин

КПД тепловых машин

Каков принцип действия тепловой машины? КПД теплового двигателя зависит от величины полезной работы, совершаемой газом. С учетом того, что невозможно полностью превратить внутреннюю энергию в работу теплового двигателя, можно объяснить необратимость природных процессов и явлений. В том случае, если бы наблюдалось самопроизвольное возвращение теплоты к нагревателю от холодильника, внутренняя энергия в полном объеме превращалась бы в полезную работу посредством теплового двигателя.

Коэффициентом полезного действия называют отношение полезной работы, совершаемой тепловым двигателем, к тому количеству тепла, которое передано холодильнику. В физике принято выражать данную величину в процентах. Таков принцип действия теплового двигателя. Законы термодинамики дают возможность проводить вычисления максимального значения коэффициента полезного действия.

Как работают тепловые двигатели

Функция тепловых двигателей – преобразование тепловой энергии в полезную механическую работу. Рабочим телом в таких установках служит газ. Он с усилием давит на лопатки турбины или на поршень, приводя их в движение. Самые простые примеры тепловых двигателей – это паровые машины, а также карбюраторные и дизельные двигатели внутреннего сгорания.

Инструкция

1. Поршневые тепловые двигатели имеют в своем составе один или несколько цилиндров, внутри которых находится поршень. В объеме цилиндра происходит расширение горячего газа. При этом поршень под воздействием газа перемещается и совершает механическую работу. Такой тепловой двигатель преобразует возвратно-поступательное движение поршневой системы во вращение вала. Для этой цели двигатель оснащается кривошипно-шатунным механизмом.
2. К тепловым двигателям внешнего сгорания относятся паровые машины, в которых рабочее тело разогревается в момент сжигания топлива за пределами двигателя. Нагретый газ или пар под сильным давлением и при высокой температуре подается в цилиндр. Поршень при этом перемещается, а газ постепенно охлаждается, после чего давление в системе становится почти равным атмосферному.
3. Отработавший свое газ выводится из цилиндра, в который немедленно подается очередная порция. Для возврата поршня в начальное положение применяют маховики, которые крепят на вал кривошипа. Подобные тепловые двигатели могут обеспечивать одинарное или двойное действие. В двигателях с двойным действием на один оборот вала приходится две стадии рабочего хода поршня, в установках одинарного действия поршень совершает за то же время один ход.
4. Отличие двигателей внутреннего сгорания от описанных выше систем состоит в том, что горячий газ здесь получается при сжигании топливно-воздушной смеси непосредственно в цилиндре, а не вне его. Подвод очередной порции горючего и выведение отработанных газов производится через систему клапанов. Они позволяют подавать горючее в строго ограниченном количестве и в нужное время.
5. Источник тепла в двигателях внутреннего сгорания – химическая энергия топливной смеси. Для данного типа теплового двигателя не нужен котел или нагреватель внешнего типа. В качестве рабочего тела здесь выступают самые разные горючие вещества, из которых самым распространенным являются бензин или дизельное топливо. К недостаткам двигателей внутреннего сгорания можно отнести их высокую чувствительность к качеству топливной смеси.
6. Двигатели внутреннего сгорания по своей конструкции могут быть двух- и четырехтактными. Устройства первого вида проще в конструкции и не так массивны, но при одинаковой мощности требуют значительно больше топлива, чем четырехтактные. Двигатели, работа которых построена на двух тактах, чаще всего применяют в небольших мотоциклах или газонокосилках. Более серьезные машины оснащают тепловыми двигателями четырехтактного типа.

Видео по теме

Как устроены и как работают тепловые двигатели

Наша сегодняшняя встреча посвящена тепловым двигателям. Именно они приводят в движение большинство видов транспорта, позволяют получать электроэнергию, несущую нам тепло, свет и комфорт. Как устроены и каков принцип действия тепловых машин?

Понятие и виды тепловых двигателей

Тепловые двигатели — устройства, обеспечивающие превращение химической энергии топлива в механическую работу.

Осуществляется это следующим образом: расширяющийся газ давит либо на поршень, вызывая его перемещение, либо на лопасти турбины, сообщая ей вращение.

Взаимодействие газа (пара) с поршнем имеет место в паровых машинах, карбюраторных и дизельных двигателях (ДВС).

Примером действия газа, создающим вращение является работа авиационных турбореактивный двигателей.

Структурная схема работы теплового двигателя

Несмотря на отличия в их конструкции, все тепловые машины имеют нагреватель, рабочее вещество (газ или пар) и холодильник.

В нагревателе происходит сгорание топлива, в результате чего выделяется количество теплоты Q1, а сам нагреватель при этом нагревается до температуры T1. Рабочее вещество, расширяясь, совершает работу A.

Но теплота Q1 не может полностью превратится в работу. Определенная ее часть Q2 через теплопередачу от нагревшегося корпуса, выделяется в окружающую среду, условно называемую холодильником с температурой T2.