Тепловой двигатель — 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 , 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 .

Важным аспектом любого теплового двигателя является вид и количество потребляемого им топлива , а также обусловленное этим загрязнение окружающей среды . Паросиловые установки (тепловые двигатели, работающие по циклу Ренкина ), преобразующие теплоту атомного реактора (или использующие геотермальную энергию ), термодинамические радиоизотопные генераторы (использующие двигатель Стирлинга или также цикл Ренкина , и получающие теплоту от радиоактивного источника , обладающего очень большой активностью ) и солнечные электростанции термодинамического типа 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) .

Теория

Работа , совершаемая двигателем, равна:

${\displaystyle A=Q_{H}-\left|Q_{X}\right|\ }$ , где:

• ${\displaystyle Q_{H}}$ — количество теплоты , полученное от нагревателя,
• ${\displaystyle Q_{X}}$ — количество теплоты, отданное охладителю.

Коэффициент полезного действия (КПД) теплового двигателя рассчитывается как отношение работы, совершаемой двигателем, к количеству теплоты, полученному от нагревателя: ${\displaystyle \eta ={\frac {\left|Q_{H}\right|-\left|Q_{X}\right|}{\left|Q_{H}\right|}}=1-{\frac {\left|Q_{X}\right|}{\left|Q_{H}\right|}}}$

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( ${\displaystyle T_{H}}$ ) и холодильника( ${\displaystyle T_{X}}$ ):

${\displaystyle \eta _{K}={T_{H}-T_{X} \over T_{H}}=1-{T_{X} \over T_{H}}}$

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:

${\displaystyle \eta =1-{\frac {1}{n^{k-1}}}}$ , где:

• ${\displaystyle n=V_{1}/V_{2}}$ — степень сжатия ,
• ${\displaystyle k}$ — показатель адиабаты .

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

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

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

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.
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% .

1) A=Qh-[Qx]

Паровая турбина

Тепловой двигатель, в котором в котором потенциальная энергия водяного пара преобразуется в кинетическую, а та, в свою очередь, преобразуется в механическую энергию вращения вала. 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.
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.

Двигатель Стирлинга

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. Применение: суда, стационарные энергетически установки, космические аппараты.

Тепловые двигатели внутреннего сгорания

Двигатели внутреннего сгорания, а ранее Двигатели внутреннего горения — 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.

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

Тепловой двигатель, преобразующий теплоту сгорания топлива в механическую работу посредством сжигания предварительно сжатой топливо-воздушной смеси внутри цилиндра с возвратно поступательно или вращательно движущимся поршнем. Наиболее распространённый (по числу) тепловой двигатель. Является основным типом двигателя для любых наземных моторных транспортных средств, от мопедов до тепловозов. Также применяется в средствах малой механизации, в мобильных электростанциях, на речных и морских судах в качестве основного двигателя или двигателя экономичного хода. Особенностью является хороший КПД в широких диапазонах мощности.

Газотурбинный двигатель

Тепловой двигатель, преобразующий теплоту сгорания топлива в кинетическую энергию реактивной струи или в механическую работу на валу, основными элементами которого являются турбокомпрессор и камера сгорания. Применяется в стационарных энергетических установках и в качестве двигателя различных транспортных машин. Наиболее известное применение — реактивная авиация. Имеет сравнительно узкий диапазон мощностей с достаточным КПД, зато более высокие массогабаритные показатели относительно поршневых ДВС.

Реактивный двигатель

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

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

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.

Примеры:

• (JTEC) — использует электрохимическое окисление и восстановление водорода в паре ячеек, реализует тепловой цикл, приближенный к Джона Эрикссона
• металлические двигатели, использующие изменение формы различных твердых сплавов из-за температуры, например составов с памятью формы или теплового расширения твердых тел

Примечания

Литература

• // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона : в 86 т. (82 т. и 4 доп.). — СПб. , 1890—1907.
• // Военная энциклопедия : [в 18 т.] / под ред. В. Ф. Новицкого … [ и др. ]. — СПб. ; [ М. ] : Тип. т-ва И. Д. Сытина , 1911—1915.
• // Военная энциклопедия : [в 18 т.] / под ред. В. Ф. Новицкого … [ и др. ]. — СПб. ; [ М. ] : Тип. т-ва И. Д. Сытина , 1911—1915.
• // Военная энциклопедия : [в 18 т.] / под ред. В. Ф. Новицкого … [ и др. ]. — СПб. ; [ М. ] : Тип. т-ва И. Д. Сытина , 1911—1915.
• И. Н. Нигматулин, П. Н. Шляхин, В. А. Ценёв. / И. Н. Нигматулин. — Москва: «Высшая школа», 1974. — 375 с.
• А. Л. Буров. . — Москва: МГИУ, 2008. — С. 214-219. — 224 с. — ISBN 978-5-2760-1604-7 .
• Б. С. Стечкин. . — Москва: Физматлит, 2001. — 432 с. — ISBN 5-9221-0101-3 .
• Э. Л. Мышинский, М. А. Рыжков-Дудонов. . — Ленинград: «Судостроение», 1976. — 76 с.
• Г. С. Жирицкий. . — Москва: «Госэнергоиздат», 1951. — 281 с.
• В. С. Бениович, Г. Д. Апазиди, А. М. Бойко. / И. К. Агеев. — Москва: «Машиностроение», 1968. — 151 с.
• Н. С. Ханин, С. Б. Чистозвонов. . — Москва: МАШГИЗ, 1964. — 184 с.
• Орир Дж. = Physics by Jay Orear, Cornell University / пер. с англ. и научная редактура Ю. Г. Рудого и А. В. Беркова. — 2-е. — Москва: «Издательство «КДУ», 2010. — С. 231-262. — 752 с. — ISBN 978-5-98227-366-6 .

Ссылки