Тепловой двигатель

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].

Тепловой двигатель преобразует часть теплоты горячего источника в работу, отдавая остальную холодному источнику

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].

ТеорияПравить

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 двигателейПравить

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 двигателейПравить

Двигатель внешнего сгоранияПравить

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 машинаПравить

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 турбинаПравить

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 СтирлингаПравить

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 сгоранияПравить

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 сгоранияПравить

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 турбинаПравить

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 двигательПравить

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 типыПравить

Под классификацию тепловых двигателей внутреннего сгорания попадает огнестрельное оружие[6], дизель-молот и свободнопоршневой генератор газа.

Твёрдотельные двигателиПравить

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 ЗемлиПравить

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.

ПримечанияПравить

  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»,

СсылкиПравить