Дізнайтеся що таке тепловий двигун, його ефективність, типи та застосування. Вони є в різних сферах: автомобілях, електростанціях, потягах…
Що таке тепловий двигун?
Тепловий двигун – це механічна машина, яка перетворює теплову енергію палива на механічну енергію, яка далі використовується для корисної роботи.
Принцип дії теплових двигунів
Коли хтось тре рукою одну долоню об іншу, то виникає тертя. Це тертя перетворює механічну енергію (рухи рук) в теплову (відчуття тепла). Тепловий двигун працює на протилежних явищах, оскільки цей тип двигуна бере енергію від теплого об’єкта (порівняно з навколишнім середовищем) і перетворює її в рух. Зазвичай цей рух перетворюється на електричну енергію за допомогою генератора.
Більшість енергії, що використовується для транспортних засобів та виробництва електроенергії, виробляється тепловими двигунами. Теплі об’єкти, в тому числі гази, володіють тепловою енергією, яку можна перетворити в корисну форму.
Тепловий двигун зазвичай передає енергію від гарячого джерела до холодного поглинача і перетворює частину цієї енергії на механічну. Для роботи теплових двигунів необхідна різниця температур.
У різних типах двигунів використовуються різні процеси, наприклад, згоряння для бензинових і вугільних двигунів або використання енергії ядерних реакцій для уранових реакторів. Незалежно від процесу, кінцева мета залишається незмінною: перетворення тепла на корисну роботу.
Автомобільний двигун є добре відомим прикладом теплового двигуна, але більшість електростанцій, включаючи атомні, газові та вугільні, також працюють як теплові двигуни.
Що таке варп двигун: подорожі швидше за світло
Принципи роботи теплового двигуна
Тепловий двигун, по суті, складається з охолоджувача, двигуна і резервуара тепла. Тепло, вироблене в результаті зовнішнього або внутрішнього згоряння, подається в двигун, що змушує поршень рухатися.
Потім вихідна потужність передається на підключену машину, дозволяючи їй виконувати роботу. Додаткове тепло виділяється в холодний радіатор, підтримуючи постійну температуру між радіатором і резервуаром.
Теплові двигуни, такі як двигун автомобіля, працюють циклічно. Такі типи двигунів поглинають енергію у вигляді тепла під час однієї фази циклу і використовують цю енергію для виконання корисної роботи під час іншої фази циклу.
Який винахідник створив перший двигун? Це був Уатт?
Типи теплових двигунів
Теплові двигуни бувають наступних типів:
- Двигун зовнішнього згоряння (ECE)
- Двигун внутрішнього згоряння (ICE)
1) Двигун зовнішнього згоряння
Двигун зовнішнього згоряння – це один з найвідоміших типів теплових двигунів, в якому зовнішнє джерело тепла використовується для нагрівання (внутрішньої) робочої рідини через теплообмінник або стінки двигуна. Коли рідина отримує тепло, вона розширюється, виробляє енергію і рухає транспортний засіб.
EC-двигуни не розміщуються у внутрішній частині автомобіля, як IC-двигуни. Двигун зовнішнього згоряння кріпиться до зовнішньої частини автомобіля. У цьому двигуні згоряння відбувається не в циліндрі, а поршень приводиться в рух парою. Вона виводиться назовні.
У зовнішній камері згоряння знаходиться суміш повітря і палива, яка спалахує і виробляє тепло. Це вироблене тепло використовується для нагрівання внутрішньої рідини через стінку теплообмінника або двигуна. Нагріваючись, рідина розширюється і впливає на механізми двигуна, створюючи рух і корисну роботу. Потім цю рідину виливають (відкритий цикл) або охолоджують, стискають і знову використовують (закритий цикл).
Двигун зовнішнього згоряння використовує горіння в першу чергу як теплоносій, і цей двигун однаково добре працює з іншими типами джерел тепла.
Прикладами двигунів зовнішнього згоряння є парова машина та двигун Стірлінга. Максимальна частина електроенергії у світі виробляється за допомогою парових турбін. Потяг з паровим двигуном також є відомим прикладом двигуна зовнішнього згоряння.
Як працює генератор змінного струму?
2) Двигун внутрішнього згоряння
Двигун внутрішнього згоряння або ДВЗ – один з найпоширеніших типів теплових двигунів. Ці двигуни найчастіше зустрічаються в поїздах, літаках, кораблях, човнах та автомобілях.
У цих двигунах паливно-повітряна суміш запалюється всередині двигуна для виконання роботи. Ця ж паливно-повітряна суміш пізніше виводиться у вигляді вихлопних газів. Хоча для цього процесу зазвичай використовуються поршні, можуть також застосовуватися турбіни.
Фотоелектрична схема теплового двигуна
Тепловий двигун зазвичай отримує енергію у вигляді тепла, виконує роботу, а потім випускає залишки тепла, які не можуть бути використані для роботи. Термодинаміка вивчає взаємозв’язок між роботою і теплотою, а робота теплового двигуна обмежується першим і другим законами термодинаміки.
Перший закон передбачає збереження енергії в системі, тоді як другий закон встановлює максимальну ефективність обладнання та вимірює напрямок потоку енергії.
Щоб зрозуміти ефективність циклу двигуна, можна порівняти діаграму “тиск-об’єм” (PV) з циклом Карно, який представляє найбільш ефективну форму теплового двигуна.
Пояснення PV-діаграми наведено нижче:
- Під час процесу, коли рідина переходить з рідкого стану в пароподібний, це відбувається ізотермічно, коли джерело має високу температуру. Це випаровування відбувається при постійному тиску, в той час як об’єм збільшується.
- Коли пара потрапляє в турбіну, вона розширюється оборотним адіабатичним способом, дотримуючись рівняння стану для такого процесу.
- Коли пара перетворюється з пари на водяну рідину, а джерело має низьку температуру, це відбувається ізотермічно. Цей процес конденсації відбувається при постійному тиску, в той час як об’єм зменшується.
- Коли рідина потрапляє в компресор, компресор стискає рідину зворотно і адіабатично, при цьому її тиск повертається до початкової точки.
Модель резервуара енергії
Поширеним методом представлення теплового двигуна є модель резервуара енергії. Двигун видобуває енергію з гарячого резервуара і використовує частину цього тепла для виконання роботи. Однак, через обмеження, що накладаються другим законом термодинаміки, двигун повинен віддавати частину енергії холодному резервуару.
Модель накопичувача енергії теплового двигуна
У випадку автомобільного двигуна гарячим резервуаром виступає паливо, що згорає, а холодним резервуаром є навколишнє середовище, в яке викидаються вихлопні гази.
Наведений вище вираз ефективності є загальним, але максимальна ефективність обмежена ефективністю циклу Карно. Це обмеження зазвичай називають тепловим вузьким місцем.
Коефіцієнт корисної дії теплового двигуна
Коефіцієнт корисної дії (ККД) – це частка підведеного тепла при високій температурі, яка перетворюється в роботу. Згідно з другим законом термодинаміки, жоден двигун не може досягти 100% ефективності.
Коефіцієнт корисної дії, η = Виконана робота / Підведена теплота
У наведеному вище рівнянні
Коефіцієнт корисної дії, η = W / Q1
Виконана робота, W = Q1 – Q2
Спожите тепло = Q1
Максимальний ККД поршневого двигуна зазвичай становить близько 50%, в той час як середня вугільна електростанція має ККД близько 33%. Новітні електростанції можуть досягати ККД понад 40%.
Однак вихідна потужність невеликого теплового двигуна, наприклад, автомобільного, виражається в кінських силах. Потужність більших теплових двигунів виражається в мегаватах (МВт). Однак, потужність також може бути розрахована в будь-якій одиниці потужності, в тому числі у ватах.
Електростанції також мають додаткову електричну вихідну потужність. Щоб розрізнити ці дві потужності, електричну потужність позначають у мегаватах електричних (МВт-е), тоді як теплову потужність (вхідну потужність) позначають у мегават-годинах (МВт-год). Для теплового двигуна, який виробляє рух замість електроенергії, вихідна потужність має форму механічної роботи.
Застосування теплових двигунів
Ми дізналися, що таке тепловий двигун, тепер давайте поговоримо про його застосування.
- Теплові двигуни найчастіше використовуються в різних транспортних засобах, таких як автомобілі, автобуси, поїзди, трактори та невеликі літаки.
- Вони використовуються на кораблях.
- Вони використовуються на електростанціях.
- Вони використовуються для виробництва електроенергії.
- Теплові насоси використовуються в холодильних і теплових установках.
- Ці типи двигунів можуть використовувати відпрацьоване тепло, вироблене на електростанціях або в промислових процесах, перетворюючи його в електрику або корисну роботу, таким чином підвищуючи загальну ефективність.
Джерело: https://mechanicalboost.com/
