ТЕПЛОВІ ДВИГУНИ

Тепловий двигун - машина для перетворення теплової енергії в механічну роботу.

Двигун - енергосилова машина, що перетворює яку-небудь енергію в механічну роботу.

Тепловий двигун і є посередником між нагрівачем і холодильником.

Основним елементом теплового двигуна є робоча речовина.

Робоча речовина отримує тепло від нагрівача, переходить до холодильника і віддає там частину цього тепла.Охолоджена робоча речовина повертається до нагрівача, і так починається наступний цикл.

В залежності від того в яких умовах відбувається отримання і передача тепла виділяють різні робочі цикли теплових двигунів. Вводять поняття коефіцієнта корисної дії (ККД) - частка теплової енергії перетворена у механічну енергію.

Можуть бути різні механізми перетворення теплової енергії у енергію механічну. Виділяють поршневі, турбінні двигуни.У поршневому двигуні відбувається розширення газу, що тисне на поршень, змушуючи його переміщатися, а у турбодвигуні розширення газу діє на лопатки колеса турбіни, спричиняючи його обертання.

Прикладами поршневих двигунів є парові машини і двигуни внутрішнього згорання (карбюраторні і дизельні). Турбіни двигунів бувають газові (наприклад, в авіаційних турбореактивних двигунах) і парові.

Парова машина Джеймса Ватта

Двигун внутрішнього

згорання

Схема роботи чотиритактного дизельного ДВЗ

Монтаж парової турбіни Siemens

Цикл Отто - ідеалізований термодинамічний цикл, на якому ґрунтується робота чотиритактного двигуна внутрішнього згорання поршневого типу. Цикл сладається із двох адіабатичних та двох ізохоричних процесів.

PV-діаграма циклу Отто та її зв'язок із

положеннями поршня

Максимальний коефіцієнт корисної дії цикла Отто задається формулою:

η = 1 − r(1 − γ), де r - коефіцієнт стиснення, а γ = cP/cV, cP та та cV - теплоємності газу при постійному тиску й при постійній температурі, відповідно.

Чотирьохтактний двигун Отто,

1876 р.

Ідеальний цикл Дизеля складається з чотирьох процесів:1-2 - адіабатний стиск робочого тіла; 2-3 - ізобарний підвід теплоти до робочого тіла; 3-4 адіабатичне розширення робочого тіла;4-1 ізохорно охолодження робочого тіла.

Цикл дизеля - термодинамічний цикл, що описує робочий процес двигуна внутрішнього згорання із запалюванням вприскуваного палива від розігрітого робочого тіла, цикл дизельного двигуна.

p-V діаграма циклу Дизеля

Коефіцієнт корисної дії циклу Дизеля задаєтьсяь формулою:

 

 

Rudolf Diesel(1858 - 1913)

Стационарный одноцилиндровый дизельный

двигатель, Германия, Аугсбург, 1906

Цикл Стірлінга - термодинамічний цикл, що описує робочий процес машини Стірлінга.

Крім робочого тіла, нагрівача і холодильника абстрактна машина Стірлінга містить ще регенератор - пристрій, що відводить тепло від робочого тіла на деяких етапах циклу, і віддає це тепло робочого тіла на інших етапах.

Robert Stirling(1790-1878)

Двигун Стірлінга

Ідеальний цикл Стірлінга складається з процесів: 1-2 ізотермічне розширення робочого тіла з підведенням тепла від нагрівача; 2-3 ізохорний відвід тепла від робочого тіла до регенераторів; 3-4 ізотермічний стиск робочого тіла з відведенням тепла до холодильника;4-1 ізохорний нагрів робочого тіла з підведенням тепла від регенератора.

T-V діаграма ідеального циклу Стірлінга з регенератором.

Коефіцієнт корисної дії (ККД) для двигуна, що працює за циклом Стірлінга залежить лише від різниці температур нагрівача T1 і холодильника T2:

 

Цикл Карно - цикл роботи теплового двигуна. Цикл складається з чотирьох стадій:1.Робоча речовина нагрівається за сталої температури (ізотермічний процес).2.Робоча речовина розширюється за сталої ентропії (адіабатичний процес).3.Робоча речовина охолоджується за сталої температури (ізотермічний процес).4.Робоча речовина стискається за сталої ентропії (адіабатичний процес).

Цикл Карно на діаграмі температура - ентропія

Саді Карно (1796-1832)

Коефіцієнт корисної дії для двигуна, що працює за циклом Карно, залежить лише від різниці температур нагрівача TH і охолоджувача TC:

 

Цикл Карно в координатах P і V