Тема 3. Теплові машини (двигуни)

1. Теплова машина (ТМ ) (тепловий двигун) – пристрій, який перетворює внутрішню енергію палива в механічну енергію двигуна.

До ТМ відносяться:

· парові машини;

· турбіни;

· парові і газові турбіни;

· ДВЗ (дизельні, карбюраторні, інжекторні);

· реактивні і турбореактивні двигуни.

Для того, щоб двигун виконував роботу, необхідна різниця тисків по обидва боки поршня двигуна або лопатей турбіни. Незважаючи на велику різноманітність видів теплових двигунів, усі вони мають загальний принцип дії. У роботі двигунів можна виділити такі загальні ознаки:

1) у будь-якому тепловому двигуні відбувається перетворення енергії палива в механічну енергію;

2) для роботи теплового двигуна потрібні нагрівник, охолоджувач і робоче тіло (рис. 39). У процесі роботи теплового двигуна робоче тіло забирає від нагрівника певну кількість теплоти Q₁ і перетворює частину цієї теплоти в механічну енергію, а неперетворену частину теплоти Q₂ передає холодильнику. За законом перетворення і збереження енергії Q₁ = Q₂ + A;

3) робота будь-якого теплового двигуна полягає у повторюванні циклів зміни стану робочого тіла.

 

2. Принцип будови і дії теплової машини

 

Нагрівник (тепловіддавач) – тіло, що віддає ТДС енергію у формі деякої кількості теплоти Q_1.

Робоче тіло – ТДС, яка здійснює круговий процес (цикл), обмінюючись енергією з іншими тілами (нагрівником і холодильником) і виконуючи роботу.

(88)

Охолоджувач (теплоприймач) – тіло, тіло що приймає від робочого тіла частину енергії у формі деякої кількості теплоти Q_1.

Паливо згоряє, виділяючи кількість теплоти Q₁ , і передає її робочому тілу. Внаслідок отриманого тепла газ (або пара) значно розширюється, виконуючи роботу (н.п. піднімає поршень у циліндрі ДВЗ). За ІІ ЗТД неможливо, щоб , обов’язково частина енергії втрачається (на тертя, на теплообмін із зовнішнім середовищем, тощо).

 

 

Рис. 39 Рис. 40

 

Схема будови і роботи ТМ Цикл роботи двигуна

 

Крім того ТМ, як правило, працюють циклічно. Для забезпечення додатної роботи циклу (А > 0) необхідно знизити температуру, що пройти зворотній процес (2→1) через ті самі об’єми, що і в прямому процесі (1→2), але з меншими тисками. Для цього необхідно відібрати у робочого тіла частину енергії Q₂, для чого і служить охолоджувач (рис. 40).

Ефективність використання енергії палива тепловою машиною визначається її ККД, тобто часткою теплоти Q₁, яку вона перетворила у роботу А.

(89)

 

Цикл Карно

С. Карно – французький вчений, придумав ідеальну машину (двигун), для якої:

· робоче тіло – ідеальний газ;

· відсутнє всяке тертя

· працює за циклом Карно, який має такі складові:

1)

Рис. 41

ізотермічне розширення, в ході якого газ виконує роботу за рахунок отриманої раніше теплоти Q₁;

2) адіабатне розширення, – газ виконує роботу за рахунок внутрішньої енергії, при цьому його температура знижується від Т₁ до Т₂;

3) ізотермічне стиснення, – газ стискається, при цьому частина теплоти Q₂переходить до охолоджувача;

4) адіабатне стиснення, – газ адіабатно нагрівається до вихідної температури Т_1.

Тобто робочі ділянки циклу Карно 1→2, 2→3, допоміжні ділянки (повернення газу у робочий стан) 3→ 4, 4→1.

Теорема Карно

Максимальний ККД будь-якої теплової машини не залежить від природи робочого тіла, а визначається тільки температурами нагрівача і охолоджувача

(90)

 

Способи підвищення ККД ТМ

1. В певних межах підвищення температури нагрівника і зниження температури охолоджувача

2. Підвищення жаростійкості і жароміцності матеріалів для виготовлення двигунів.

3. Зниження втрат енергії на подолання тертя в деталях машин.

4. Зменшення теплопередачі навколишньому середовищу.

 

Застосування ТМ

1. Добування електроенергії (парові турбіни)

2. Транспорт

· ДВЗ на автотранспорті

· Тепловози; теплоходи

· Поршневі, турбогвинтові, турбореактивні двигуни на повітряному транспорті

· Ракетні двигуни для запуску космічних супутників, станцій, кораблів

· ДВЗ – основа механізації с.г.: трактори, комбайни, самохідні шассі, насосні станції, бензопили тощо

· Вогнепальна зброя