Принцип работы теплового двигателя

Изобретение тепловой машины

Первым изобретателем машины, использующей тепло, стал Сади Карно. Он разработал идеальную машину, в которой рабочим телом выступал идеальный газ. Кроме того, ученому удалось определить показатель КПД для такого устройства, используя значения температуры холодильника и нагревателя.

Карно удалось определить зависимость между реальной тепловой машиной, функционирующей на основе нагревателя, и холодильником, в качестве которого выступает воздух или конденсатор. Благодаря математической формуле, предложенной Карно для его первой идеальной тепловой машины, определяется максимальное значение КПД. Между температурой нагревателя и холодильника существует прямая связь.

Для того чтобы машина полноценно функционировала, значение температуры не должно быть меньше ее показателя в окружающем воздухе. При желании можно повышать температуру нагревателя, не забывая о том, что у каждого твердого тела есть определенная жаропрочность. По мере нагревания оно теряет свою упругость, а при достижении температуры плавления просто плавится.

Благодаря инновациям, которые достигнуты в современной инженерной промышленности, происходит постепенное повышение КПД теплового двигателя. Например, снижается трение между его отдельными частями, устраняются потери, возникающие из-за неполного сгорания топлива.

Двигатель внутреннего сгорания

Он представляет собой тепловую машину, где в виде рабочего тела применяют высокотемпературные газы, получаемые в процессе сгорания разного вида топлива внутри камеры. Выделяют четыре такта в работе автомобильного двигателя. Среди составных его частей назовем впускной и выпускной клапаны, камеру сгорания, поршень, цилиндр, свечу, шатун, а также маховик.

На первом этапе наблюдается плавное передвижение клапана вниз, процесс происходит благодаря заполнению камеры рабочей смесью. В конце первого такта впускной клапан закрывается. Далее поршень передвигается вверх, при этом происходит сжатие рабочей смеси. Появление искры в свече приводит к воспламенению горючей смеси. Давление, которое оказывают пары воздуха и бензина на поршень, приводят к его самопроизвольному движению вниз, поэтому такт называют «рабочим ходом». В движение приводится коленчатый вал. На четвертом этапе открывается выпускной клапан, происходит выталкивание в атмосферу отработанных газов.

Почему невозможен вечный двигатель первого рода?

Людей издревле привлекала ее величество Халява. Философский камень, превращающий любой металл в золото, скатерть самобранка, с которой не нужно готовить, джин, исполняющий любые желания. Еще одной такой идеей была идея вечного двигателя.

Если никто не пытался найти скатерть-самобранку, то вечный двигатель пытались изобрести очень много раз. На протяжении веков разные люди спрашивали себя: как построить вечный двигатель? Согласно историческим записям первым такую попытку предпринял в двенадцатом веке некий индийский ученый. Затем было еще множество попыток, в том числе плотно занимался вопросом и Леонардо да Винчи. Наконец, в девятнадцатом веке светлые головы Германа Гельмгольца и Джеймса Джоуля сформулировали первое начало динамики и подтвердили его опытами,  чем развеяли все сомнения. В помощь также статья, о том, как делать презентацию в ворде и powerpoint.

Вечный двигатель Леонардо да Винчи

Вечный двигатель невозможен, потому что так устроен мир. Об этом говорят нам законы термодинамики. Согласно первому началу термодинамики, количество теплоты, полученное системой, идет на изменение внутренней энергии системы, а также на совершение работы против внешних сил. Например, газ, помещенный в цилиндр с поршнем, получая определенное количество теплоты, увеличивает свою внутреннюю энергию, молекулы движутся быстрее, газ занимает больший объем и толкает поршень (работа против внешних сил). Иными словами, если работа совершается без  внешнего притока энергии, она может совершаться лишь за счет внутренней энергии системы, которая рано иди поздно иссякнет, преобразовавшись в совершенную работу, на чем все закончится и система придет к состоянию термодинамического равновесия

Ведь энергия в мире никуда не уходит и не приходит, ее количество остается постоянным, а меняется лишь форма.  Конечно, Вы обратили внимание на то, что речь идет о так называемом вечном двигателе первого рода (который может совершать работу без энергии). Спешим заверить, существование вечного двигателя второго рода также невозможно и объясняется вторым началом термодинамики, о котором мы поговорим в ближайшем будущем

Энергия и ее формы

Надеемся, знакомство с термодинамикой прошло для Вас приятно и Вы полюбите ее всем сердцем. Если же этого не произойдет, Вы всегда можете поручить выполнение задач по термодинамике нашим авторам, пока сами занимаетесь  более приятными делами.

Energy education

Двигатели внешнего сгорания

В 1816 шотландец Роберт Стирлинг предложил двигатель внешнего сгорания, называемый сейчас его именем Двигатель Стирлинга. В этом двигателе рабочее тело (воздух или иной газ) заключен в герметичный объём. Здесь осуществлен цикл по типу цикла Севери («до-Уаттовского»), но нагрев рабочего тела и его охлаждение производятся в различных объёмах машины и сквозь стенки рабочих камер. Природа нагревателя и охладителя для цикла не имеют значения, а потому он может работать даже в космосе и от любого источника тепла. КПД созданных сейчас стирлингов невелик. Теоретически он должен раза в 2 превышать КПД для ДВС, а практически — это примерно одинаковые величины. Но у стирлингов есть ряд других преимуществ, которые способствовали развитию исследований в этом направлении. Двигатель Стирлинга — тепловая машина, в которой жидкое или газообразное рабочее тело движется в замкнутом объёме, разновидность двигателя внешнего сгорания. Основан на периодическом нагреве и охлаждении рабочего тела с извлечением энергии из возникающего при этом изменения объёма рабочего тела. Может работать не только от сжигания топлива, но и от любого источника тепла.

Основной принцип работы двигателя Стирлинга заключается в постоянно чередуемых нагревании и охлаждении рабочего тела в закрытом цилиндре. Обычно в роли рабочего тела выступает воздух, но также используются водород и гелий. В ряде экспериментальных образцов испытывались фреоны, двуокись азота, сжиженный пропан-бутан и вода. В последнем случае вода остаётся в жидком состоянии на всех участках термодинамического цикла. Особенностью стирлинга с жидким рабочим телом является малые размеры, высокая удельная мощность и большие рабочие давления.

При нагревании газа его объём увеличивается, а при охлаждении — уменьшается. Это свойство газов и лежит в основе работы двигателя Стирлинга. Двигатель Стирлинга использует цикл Стирлинга, который по термодинамической эффективности не уступает циклу Карно, и даже обладает преимуществом. Дело в том, что цикл Карно состоит из мало отличающихся между собой изотерм и адиабат. Практическая реализация этого цикла малоперспективна. Цикл Стирлинга позволил получить практически работающий двигатель в приемлемых габаритах.

Цикл Стирлинга состоит из четырёх фаз и разделён двумя переходными фазами: нагрев, расширение, переход к источнику холода, охлаждение, сжатие и переход к источнику тепла. Таким образом, при переходе от тёплого источника к холодному источнику происходит расширение и сжатие газа, находящегося в цилиндре. Разницу объёмов газа можно превратить в работу, чем и занимается двигатель Стирлинга. 1. Внешний источник тепла нагревает газ в нижней части теплообменного цилиндра

Создаваемое давление толкает рабочий поршень вверх (обратите внимание, что вытеснительный поршень неплотно прилегает к стенкам). 2

Маховик толкает вытеснительный поршень вниз, тем самым перемещая разогретый воздух из нижней части в охлаждающую камеру. 3. Воздух остывает и сжимается, поршень опускается вниз. 4. Вытеснительный поршень поднимается вверх, тем самым перемещая охлаждённый воздух в нижнюю часть. И цикл повторяется.

Двигатель Стирлинга может использоваться для преобразования солнечной энергии в электрическую. Для этого двигатель стирлинга устанавливается в фокус параболического зеркала, (похожего по форме на спутниковую антенну) таким образом, чтобы область нагрева была постоянно освещена. Параболический отражатель управляется по двум координатам при слежении за солнцем. Энергия солнца фокусируется на небольшой площади. Зеркала отражают около 92 % падающего на них солнечного излучения. В качестве рабочего тела двигателя Стирлинга используется, как правило, водород, или гелий.

В феврале 2008 года Национальная лаборатория Sandia достигла эффективности 31,25 % в установке, состоящей из параболического концентратора и двигателя Стирлинга.

Компания Stirling Solar Energy разрабатывает солнечные коллекторы большой мощности — до 150 кВт на одно зеркало. Компания строит в южной Калифорнии крупнейшую в мире солнечную электростанцию.

Солнечные коллекторы.

История

Концепция тепловых насосов была разработана ещё в 1852 году выдающимся британским физиком и инженером Уильямом Томсоном (лордом Кельвином) и в дальнейшем усовершенствована и детализирована австрийским инженером Петером Риттер фон Риттингером. Петера Риттера фон Риттингера считают изобретателем теплового насоса, ведь именно он спроектировал и установил первый известный тепловой насос в 1855 году. Но практическое применение тепловой насос приобрел значительно позже, а точнее в 40-х годах XX века, когда изобретатель-энтузиаст Роберт Вебер (Robert C. Webber) экспериментировал с морозильной камерой. Однажды Вебер случайно прикоснулся к горячей трубе на выходе камеры и понял, что тепло просто выбрасывается наружу. Изобретатель задумался над тем, как использовать это тепло, и решил поместить трубу в бойлер для нагрева воды. В результате Вебер обеспечил свою семью таким количеством горячей воды, которое они физически не могли использовать, при этом часть тепла от нагретой воды попадала в воздух. Это подтолкнуло его к мысли, что от одного источника тепла можно нагревать и воду, и воздух одновременно, поэтому Вебер усовершенствовал своё изобретение и начал прогонять горячую воду по спирали (через змеевик) и с помощью небольшого вентилятора распространять тепло по дому с целью его отопления. Со временем именно у Вебера появилась идея «выкачивать» тепло из земли, где температура не слишком изменялась в течение года. Он поместил в грунт медные трубы, по которым циркулировал фреон, который «собирал» тепло земли. Газ конденсировался, отдавал своё тепло в доме, и снова проходил через змеевик, чтобы подобрать следующую порцию тепла. Воздух приводился в движение с помощью вентилятора и распространялся по дому. В следующем году Вебер продал свою старую угольную печь.

В 1940-х годах тепловой насос был известен благодаря своей чрезвычайной эффективности, но реальная потребность в нём возникла после нефтяного кризиса 1973 года, когда, несмотря на низкие цены на энергоносители, появился интерес к энергосбережению.

Тепловые энергоустановки что это такое

На сегодняшний день энергетические станции используются для различных целей.

К примеру, специальные энергоустановки, которые работают при помощи тепловой энергии – не самые применяемые в этой сфере, однако они обладают большим количеством преимуществ эксплуатации.

Подобное оборудование генерирует, передаёт и преобразовывает электроэнергию, донося её к потребителю.

Несмотря на такой функционал, оборудование требует тщательной диагностики и обслуживания. Это предусматривает стандартные методы технической безопасности, организации управления и серьёзные ремонтные работы.

Общее представление об оборудовании

Конструкция энергоустановки представлена совокупностью систем и узловых агрегатов, работающих на добычу электроэнергии посредством переработки тепловой энергии в механическую.

Основной механизм на подобных станциях – валовой электрический генератор. Помимо подвижного вала в конструкцию включается камера сгорания, из которой в итоге выделяется тепло.

Немаловажным замечанием будет то, что данный способ подразумевает выброс газообразных веществ и пара.

Зачастую это касается станций, которые питаются посредством гидрологических комплексов. В таких коммуникациях повышается паровое давление, после чего пар двигает ротор турбины энергоустановки.

Таким образом, вся энергия поступает на вал двигателя и генерирует электрический ток.

Стоит заметить, что при этом теряется не вся тепловая энергия, а может использоваться, к примеру, для отопления.

Принципы работы тепловых энергоустановок

Одним из главных рабочих моментов выступает напряжение, благодаря которому питается станция. Зачастую комплексы оснащаются энергетическим потенциалом до тысячи вольт. В основном подобные станции локально применяются для снабжения промышленных сооружений.

Ко второму типу принадлежат комплексы, потенциал которых свыше тысячи вольт и используются для обеспечения энергией отдельно взятых районов, а иногда и городов. Их задачей является преобразовывать и распределять энергию.

Не маловажным фактором служит мощность, которая колеблется от трёх до шести ГВт. Эти цифры зависят от вида применяемого топлива для сжигания в камере сгорания. Сегодня разрешено применять дизельное топливо, мазут, твёрдое топливо и газ.

Постройка тепловых сетей

В какой-то мере энергоустановки звенья в огромной цепи теплосети.

Однако стоит заметить, что в отличие от аналогичных сетей с использованием высоковольтных линий, здесь применяются тепловые магистрали.

Служат они для обеспечения горячего водоснабжения станциям.

Подобные магистрали подразумевают использование подходящих по типу и размеру запорных арматур, оснащенных задвижками и методами контроля теплового носителя.

Помимо этого на практике применяется использование паропроводов, входящих в инфраструктуру тепловых магистралей. Однако, в подобных случаях для обеспечения корректной работы станции необходимо устанавливать системы вывода конденсата.

Автоматические системы контроля

В современном мире механическая работа постепенно заменяется средствами автоматизации контроля. При помощи специального контроллера сотрудник следит за корректным рабочим процессом блоков станции, не отвлекаясь при этом от функций диспетчера.

Таким образом, эксплуатация тепловых блоков контролируется специальными датчиками, а система записывает данные и передаёт их на пульт. После сбора информации с датчиков система анализирует и корректирует рабочие параметры энергоустановок.

Правила обслуживания энергоустановок

Наиболее важным моментом в отличной работе станции является поддержка коммуникаций в должном состоянии.

Инженеры тестируют работоспособность отдельно взятых компонентов установки, после чего проводится комплексная диагностика системы.

Специалисты тестируют электронные и механические составляющие корпуса.

Существуют плановые и периодические проверки на дефекты, разрушение и структурность

При этом не нарушается работа и не деформируется материалы корпуса, что немаловажно для энергетического корпуса

После выявления и устранения очагов неполадок контроль осуществляют датчики и аналитическая система под надзором оператора.

Итоги

Использование подобных систем предполагает собой достижение максимальной продуктивности в области энергообеспечения.

Достигается это посредством повышения квалификации работников, улучшения и автоматизации рабочего процесса, а также установку современного оборудования.

Однако, ввиду больших затрат руководство старается придерживаться стандартных комплектаций и методов контроля в управлении энергоустановками.

Обратимый и необратимый процессы

Определение 2

Первый закон термодинамики не устанавливает направления тепловых процессов. Опыты показывают, что большинство тепловых процессов протекают в одном направлении. Их называют необратимыми.

Пример 1

Если имеется тепловой контакт двух тел с разными температурами, тогда направление теплового потока направляется от теплого к холодному. Самопроизвольной передачи тепла от тела с низкой температуры к телу с высокой не наблюдается. Отсюда следует, что теплообмен с конечной разностью температур считается необратимым.

Определение 3

Обратимым процессом называется переход системы из одного равновесного расстояния в другое, которые возможно проводить в обратном направлении в той же последовательности промежуточных равновесных состояний. Она вместе с окружающими телами возвращаются к исходному состоянию.

Если система находится в состоянии равновесия во время процесса, она называется квазистатической.

Когда рабочее тело тепловой машины контактирует с тепловым резервуаром, температура которого неизменна во время всего процесса, то только изотермический квазистатический процесс считается обратимым, так как протекает с бесконечно малой разницей температур рабочего резервуара. Если имеется два резервуара, причем с разными температурами, тогда обратимым путем можно провести процессы на двух изотермических участках.

Так как адиабатический процесс проводится в обоих направлениях (сжатие и расширение), наличие кругового процесса с двумя изотермами и двумя адиабатами (цикл Карно) говорит о том, что это и есть единственный обратимый круговой процесс, где рабочее тело контактируется с двумя тепловыми резервуарами. Остальные при наличии 2 тепловых резервуаров считаются необратимыми.

Превращение механической работы во внутреннюю энергию считаются необратимыми при наличии силы трения, диффузии в газах и жидкостях, а процесс перемешивания по причине начальной разности давлений и так далее. Все реальные процессы считаются необратимыми, даже если значения будут максимально приближены к обратимым. Обратимые рассматриваются как пример реальных процессов.

Первый закон термодинамики не различает их. Правило требует от термодинамического процесса определенного энергетического баланса, но не говорит о том, возможен ли он. Установка направления прохождения процесса определяется вторым законом термодинамики. Его формулировка может звучать как запрет на определенные термодинамические процессы.

Второй закон был трактован У. Кельвином в 1851.

Определение 4

В циклически действующей тепловой машине невозможно прохождение процесса, единственным результатом которого было бы преобразование в механическую работу всего количества теплоты, полученного от единственного теплового резервуара.

Предположительно, машина с такими процессами могла бы получить название вечного двигателя второго рода.

Пример 2

При земных условиях могла бы быть отбита энергия Мирового океана и полностью превратилась бы в ее работу. Масса воды Мирового океана – 1021 кг. Для его охлаждения хотя бы на 1 градус потребуется огромное количество энергии ≈1024 Дж, которое сравнимо с сжиганием 1017 кг угля. Вырабатываемая энергия на Земле за год в 104 раз меньше. Отсюда и вывод о том, что вечный двигатель второго рода мало вероятен, как и двигатель первого, потому как оба они недопустимы, исходя из первого закона термодинамики.

О паровых двигателях

Хронология этого изобретения ведёт свой отсчёт от эпохи Архимеда, придумавшего пушку, стрелявшую с помощью пара. Затем следует череда славных имён, предлагавших свои проекты. Наиболее эффективный вариант устройства принадлежит русскому изобретателю Ивану Ползунову. В отличие от своих предшественников он предложил непрерывный ход рабочего вала за счёт использования попеременной работы 2-х цилиндров.

Сгорание топлива и образование пара у паровых машин происходит вне рабочей камеры. Поэтому их называют двигателями внешнего сгорания.

По такому же принципу образуется рабочее тело в паровых и газовых турбинах. Их далеким прообразом явился шар, вращаемый паром. Автором этого механизма был учёный Герон, творивший свои машины и приборы, в древней Александрии.