Тепловые установки. КПД

Тепловые двигатели

Основной источник энергии, используемый человечеством — это внутренняя энергия топлива. Как Вы уже знаете, горение топлива сопровождается выделением теплоты. Преобразование теплоты в механическую энергию осуществляется при помощи специальных устройств — тепловых двигателей. Все известные тепловые машины можно разделить на два класса: тепловые машины и холодильные машины.

Первая тепловая машина — это поршневой двигатель.

Такой двигатель состоит из внутреннего цилиндра 1, поршня 2, соединенного с коленчатым валом 3 с помощью шатуна 4. На коленчатом валу закреплен массивный маховик 5. В крышке цилиндра находятся два клапана: впускной 6 и выпускной 7. Здесь же установлена электрическая свеча 8. Также внутри находится горючая смесь:

Для запуска двигателя необходимо тем или иным способом привести во вращение его коленчатый вал, в результате чего поршень будет перемещаться то вверх, то вниз. Каждый ход поршня вверх или вниз называют тактом работы двигателя. Такой двигатель работает по четырехтактной схеме. Во время первого такта (впуск) поршень из крайнего верхнего положения (верхней мертвой точки) начинает опускаться вниз (рисунок а). При этом открывается впускной клапан, и горючая смесь поступает в цилиндр. После того как поршень достигает крайнего нижнего положения (нижней мертвой точки), впускной клапан закрывается, и начинается второй такт — сжатие. Во время второго такта (рисунок б) оба клапана закрыты. Поршень двигается вверх, сжимая горючую смесь. При этом смесь нагревается до 300 – 500\(℃\), так как над ней производится работа. Как только поршень достигает верхней мертвой точки, начинается третий такт — рабочий ход. В начале этого такта (рисунок в) в свече зажигания проскакивает искра. Горючая смесь быстро сгорает за 1 – 2 мс, и температура газов повышается до 1600 – 2000\(℃\), а давление возрастает до 2 – 4 Мпа. Под действием этого давления поршень движется вниз, толкая через шатун коленчатый вал. При этом продукты горения совершают механическую работу и охлаждаются до температуры 600 – 1000 \(℃\) как за счет совершения работы, так и за счет теплопередачи деталями двигателя. Когда поршень достигает нижней мертвой точки, давление в цилиндре падает до 0,3 – 0,5 Мпа, и начинается четвертый такт — выпуск. Во время этого такта (рисунок г) поднимающийся вверх поршень через открытый выпускной клапан выталкивает продукты сгорания в атмосферу и возвращается в мертвую точку. После этого начинается новый цикл работы двигателя:

Внутренняя энергия сгорающего топлива при работе поршневого двигателя внутреннего сгорания расходуется на совершение работы газа и нагрев двигателя.

Все тепловые двигатели имеют разную конструкцию, но состоят из трех основных частей: нагревателя, рабочего тела и холодильника. В качестве рабочего тела выступает топливо или газ. Нагреватель обеспечивает поступление теплоты в двигатель. Рабочее тело превращает часть полученной теплоты в механическую работу. Холодильник забирает от рабочего тела часть теплоты. Теплота, полученная за счет сжигания топлива, от нагревателя в результате теплообмена самопроизвольно передается рабочему веществу. Это возможно в том случае, если температура нагревателя \(T_{н}\) превышает исходную температуру рабочего вещества. Рабочее вещество получает от нагревателя количество теплоты \(Q_{н}\). В результате оно нагревается и расширяется. Во время рабочего хода вещество совершает механическую работу. После этого его обычно удаляют, а двигатель возвращается в исходное состояние. Таким образом, часть энергии затрачивается на возращение двигателя в исходное состояние, а также на преодоление сил трения в самом двигателе. Поэтому только часть количества теплоты \(Q_{н}\) превращается в полезную работу F, которую совершает двигатель. При этом полезная механическая работа А, совершаемая тепловым двигателем, всегда меньше работы, которую совершает рабочее вещество при расширении. При возвращении двигателя в исходное состояние часть энергии передается холодильнику, имеющему температуру \(T_{х}\), меньшую исходной температуры рабочего тела. Эту часть называет количеством теплоты \(Q_{х}\), переданным холодильнику. Таким образом, только часть энергии, получаемой рабочим веществом, превращается в полезную механическую работу. В идеальном случае полезная механическая работа равна разности количества теплоты, полученного рабочим телом от нагревателя, и количества теплоты, отданного холодильнику А = \(Q_{н} - Q_{х}\). И таким образом двигатель совершает один цикл. Давайте нарисуем схему преобразования внутренней энергии топлива в механическую работу:

Адиабатический процесс — термодинамический процесс, при котором система не обменивается теплотой с окружающим пространством.

Адиабатическими могут считаться либо очень быстрые процессы, либо процессы в теплоизолированной среде.

В первом начале термодинамики при адиабатическом процессе необходимо положить Q = 0.

К адиабатическим часто относят процессы, которые происходят либо с большой скоростью, либо в теплоизолированном сосуде. Адиабатические процессы используют, например, в двигателях внутреннего сгорания, в холодильных приборах.

Цикл Карно

Во всех реальных тепловых машинах происходят те или иные потери энергии. Если в машине отсутствуют потери на теплопроводность, трение и т.д., т.е. нет необратимых потерь, то тепловая машина называется идеальной. Термодинамический процесс в идеальной тепловой машине должен протекать настолько медленно, чтобы его можно было рассматривать как последовательный переход от одного равновесного состояния к другому. Предполагается, что этот процесс является обратимым, то есть его можно провести в обратном направлении без изменения совершенной работы и переданного количества теплоты. Анализируя работу тепловых двигателей, французский инженер Сади Карно в 1824 г. нашел, что найвыгоднейшим, с точки зрения КПД, является обратимый круговой процесс, состоящий из изотермических и адиабатных процессов. Прямой круговой процесс, состоящий из двух изотермических процессов и двух адиабатических, называется циклом Карно.