41.Теплові двигуни

Тепловий двигун - машина, призначена для перетворення теплової енергії на механічну роботу. Джерелом тепла теплового двигуна є переважно органічне паливо. До теплового двигуна з зовнішнім згорянням палива належать парові машини і парові турбіни, до теплового двигуна з внутрішнім згорянням - двигуни внутрішнього згоряння, газові турбіни і реактивні двигуни. В кожному тепловому двигуні розрізняють нагрівник і холодильник. Робоче тіло двигуна, одержавши певну кількість тепла Q₁ від нагрівника, розширюється в двигуні, а далі виходить у холодильник (напр. в конденсатор), віддаючи йому кількість тепла Q₂ . Різниця між підведеним (Q₁) і відведеним (Q₂) теплом перетворюється у двигуні на механічну роботу; при цьому стан робочого тіла змінюється за замкненим циклом. Ефективність теплового двигуна визначають термічним, або термодинамічним, коефіцієнтом корисної дії, що являє собою відношення кількості тепла, перетвореного на роботу, до кількості підведеного тепла.

 Карно (Carnot) Нікола-Леонардо-Саді (1.06.1796 - 24.08.1832) - французький інженер, один з перших творців теорії теплових двигунів. Син Л.-Н. Карно. В 1814 закінчив політехнічну школу в Парижі. Карно написав єдиний, але визначний твір “Міркування про рушійну силу вогню та про машини, здатні розвивати цю силу” (1824), в якому вперше сформулював положення 2-го начала термодинаміки. Карно запровадив поняття про круговий тепловий процес в машинах (т.з. цикл Карно), один з перших прийшов до правильного розуміння 1-го начала термодинаміки - закону збереження енергії стосовно до теплових процесів.

.

42. Теоретичні цикли теплових двигунів

Цикл теплового двигуна є одним з видів термодинамічних циклів за яких відбувається перетворення тепла, що підводиться у механічну роботу. Найвідомішими з таких циклів є:

1. Цикл Отто

2. Цикл Дизеля

3. Цикл Стирлінга

4. Цикл Карно

5. Цикл Ленуара

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

Максимальний коефіцієнт корисної дії циклу Отто задається формулою:

,

де r — коефіцієнт стиснення, а  ,   та   — теплоємності газу при постійному тиску й при постійній температурі, відповідно.

Ніколаус Август Отто був німецьким винахідником, що у 1876 році створив перший чотиритактний двигун внутрішнього згоряння, прототип сотень мільйонів двигунів, побудованих відтоді.

Двигун Отто використовувався піонерами автобудування Готлібом Даймлером і Карлом Бенцом. Перший автомобіль Роял Даймлер мав потужність 6 кінських сил і був поставлений принцу Уельскому.

Двигун внутрішнього згоряння — різнобічний апарат: він використовується для моторних човнів і мотоциклів; у нього багато застосувань у промисловості; і він був життєво необхідним елементом при винаході аероплана. До польоту першого реактивного літака в 1939 році фактично всі літальні апарати були споряджені двигунами внутрішнього згоряння, що працювали за принципом Отто. Але набагато важливішим застосуванням двигуна внутрішнього згоряння є його використання, як рушійну силу автомобілів .

Цикл Ді́зеля (англ. Diesel cycle) — термодинамічний цикл, що описує робочий процес двигуна внутрішнього згоряння із займанням пального, що впорскується від нагрівання робочого тіла (цикл дизельного двигуна). Назву цикл отримав на честь німецького інженера-винахідника Рудольфа Дізеля, творця першої конструкції дизельного двигуна.

Ідеальний цикл Дізеля складається з чотирьох процесів:

• 1—2 адіабатичне стиснення робочого тіла;

• 2—3 ізобаричне підведення теплоти до робочого тіла;

• 3—4 адіабатичне розширення робочого тіла;

• 4—1 ізохоричне охолодження робочого тіла.

ККД циклу Дізеля:

,

де   — ступінь стиску;

 — коефіцієнт попереднього розширення;

 — показник адіабати.

Ідеальний цикл лише приблизно описує процеси, що відбуваються у реальному двигуні, але для технічних розрахунків для більшості випадків точність такого наближення є задовільною.

Ци́кл Сті́рлінга — термодинамічний цикл роботи теплового двигуна. Цикл складається з чотирьох стадій:

1. Робоча речовина розширюється при постійній температурі

2. Робоча речовина охолоджується при постійному об’ємі

3. Робоча речовина стискається при постійній температурі

4. Робоча речовина нагрівається при постійному об’ємі\

5. Коефіцієнт корисної дії (ККД) для двигуна, що працює за циклом Стирлінга залежить лише від різниці температур нагрівача   і холодильника  .

6. 

Цикл Карно́ — ідеальний термодинамічний цикл. 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).

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

Для збільшення коефіцієнта корисної дії циклу Карно необхідно зробити температуру нагрівача якомога більшою, а температуру охолоджувача — якомога меншою.

Цикл Ленуа́ра (англ. Lenoir cycle) — термодинамічний цикл, що описує робочі процеси низки двигунів внутрішнього згоряння, різного конструктивного виконання та призначення, до яких належать:

• історично перший роботоздатний двигун внутрішнього згоряння, запатентований^[1] у 1859 р. бельгійським винахідником Жаном Жозефом Етьеном Ленуаром, на честь якого цикл отримав свою назву;

• теплові ракетні двигуни;

• безклапанні пульсуючі повітряно-реактивні двигуни;

• газотурбінні двигуни внутрішнього згоряння, що працюють без доступу атмосферного повітря, на ракетному пальному, (однокомпонентному, наприклад, перекису водню, або двокомпонентному, що складається з пального і окислювача), наприклад, турбіни двигунів торпед, турбонасосних агрегатів рідинних реактивних двигунів тощо.

Термічний ККд

Термічний коефіцієнт корисної дії ідеального циклу Ленуара можна обчислити з використанням одного з наведених нижче еквівалентних рівнянь:

,

де   — ступінь розширення;

 — показник адіабати для робочого тіла.

Цією формулою зручно користуватись для визначення ККД поршневого двигуна Ленуара, оскільки параметр   легко визначається з геометрії й кінематики вузла циліндр-поршень двигуна.

,

тут   — ступінь підвищення тиску.

Ця формула найчастіше використовується для розрахунку ККД реактивних і газотурбінних двигунів, що працюють за циклом Ленуара.