Главная
Начало темы
Задачи
Помощь

Тепловые двигатели

С начальными сведениями о тепловых двигателях познакомимля на следеющей интерактивной модели.

Компьютерная программа иллюстрирует принцип действия тепловых двигателей. Демонстрируются процессы, происходящие во время различных циклов работы двигателя, вводится понятие «Коэффициент полезного действия» тепловой машины.

Следующая интерактивная модель поможет Вам разобраться в выводе формулы КПД теплового двигателя, работающего по произвольному циклу.

Реальные тепловые машины

Эра тепловых машин началась с изобретения паровой машины, коэффициент полезного действия которой постепенно удалось увеличить с сотых долей процента до 20 %. Эолопил - один из первых тепловых двигателей.

Но тем не менее паровая машина  не соответствовала все возрастающим требованиям промышленности и потому была заменена двигателями внутреннего сгорания (в настоящее время это наиболее распространенные тепловые двигатели), паровыми и газовыми турбинами и реактивными двигателями. Тепло для всех тепловых машин получают при сжигании топлива или в результате  других химических реакций, а также в результате ядерных реакций.
Двигатели внутреннего сгорания – это циклические тепловые машины, в которых газ, получившийся при сжигании топлива, совершает работу, а отработавший газ выбрасывается в атмосферу, ухудшая экологию. Этот процесс периодически повторяется
Впервые тепло, полученное при сжигании пороха, использовал в мирных целях Д. Папен в 1687 году. Но, к сожалению, тепловой машиной, использующей взрыв пороха, так и осталось только огнестрельное оружие, мирная идея Папена не нашла применения.
В XVII веке бензин еще не был известен.
Первые патенты на изобретение прообраза будущего двигателя внутреннего сгорания на светильном газе были выданы в середине XIX века. И только в конце XIX века для двигателя внутреннего сгорания был использован бензин, сначала в карбюраторном двигателе, а затем и в дизельном.

1. Устройство и работа четырехтактных карбюраторного двигателя внутреннего сгорания представлена на следующей модели. Процесс построения графика работы двигателя внутреннего сгорания показан на модели, а на плакате дан анализ этого графика.

2. В 1892 году Рудольф Дизель получил патент на свое изобретение четырехтактного двигателя, который мог работать на более дешевом  топливе без опасений, что может произойти преждевременное самовоспламенение топлива. Этот двигатель обеспечивал больший к.п.д. и позволял достичь бόльших мощностей. Теперь этот двигатель называют дизельным в честь его изобретателя.На модели показан процесс построения графика работы дизельного двигателя.

К.п.д. двигателя зависит от степени сжатия рабочего вещества, поэтому Р.Дизель решил, что надо сжимать не горючую смесь, а воздух, чтобы не опасаться преждевременного самовозгорания. При адиабатном (практически очень быстром) сильном сжатии воздух нагревается до высоких температур. Это второй такт – сжатие (на рис. это участок 2 – 3 , который следует после первого такта всасывания 1 – 2. В момент, соответствующий точке 3 на диаграмме, начинается впрыскивание топлива через форсунку и рабочий ход двигателя 3 – 4 – 5 , так как мелкие капли топлива сразу же воспламеняются из-за высокой температуры воздуха в цилиндре двигателя (третий такт). В момент, соответствующий точке 5, открывается выхлопной клапан и начинается последний (четвертый)  такт работы двигателя – выхлоп 5 – 6 – 7.
3. Паровая и газовая турбины – это тепловые машины непрерывного действия, они широко используются при производстве электроэнергии. Принцип работы паровой турбины показан на модели.

На рисунке показан график изменения давления газа от объема в процессе работы паровой турбины

.2

АВ - нагревание воды и пара в котле, BC - адиабатное расширение в турбине, CD - охлаждение пара с конденсацией, DA- нагнетание воды с сжатием пара.

4. Принцип работы газотурбинной установки показан на следеющей модели.

На рисунке показан график изменения давления от объема газа для газовой турбины.

2

АВ- нагнетание воздуха компрессором, ВС- нагревание в камере сгорания, СD - расширение в турбине, DA- охлаждение в аимосфере.

На следующей интерактивной модели, к которой можно перейти по ссылке, показаны примеры циклических процессов.