Тепловые двигатели. КПД теплового двигателя (билет 15.1)

1. Билет 15, вопрос 1 Тепловые двигатели. КПД теплового двигателя

2. В тепловом двигателе совершение механической работы происходит за счёт внутренней энергии веществ. В процессе работы теплового

двигателя
периодически повторяются процессы
расширения м сжатия газа. Тепловой
двигатель состоит из:
1) рабочее тело (газ или пар),
совершающее работу;
2) нагреватель, сообщающий энергию
рабочему телу;
3) холодильник, поглощающий часть
энергии от рабочего тела

3. Механическая работа в двигателе совершается при расширении рабочего вещества, перемещающего поршень в цилиндре. Для цикличной,

непрерывной
работы двигателя необходимо
возвращение поршня в первоначальное
положение, т.е. сжатие рабочего вещества.
Легко сжимаемым веществом является пар
или газ.

4. 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.

5. Иван Ползунов

• 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

6. О двигателях внутреннего сгорания В конце XIX века немецким конструктором Августом Отто была предложена конструкция ДВС с

О двигателях внутреннего сгорания
В конце XIX века
немецким конструктором Августом
Отто была предложена
конструкция ДВС с карбюратором,
где приготавливается
топливовоздушная смесь.
Остановимся более подробно на его
работе. Каждый цикл работы состоит
из 4-х тактов: впуска, сжатия,
рабочего хода и выпуска.

7.

8. Во время первого такта горючая смесь впрыскивается в цилиндр и сжимается поршнем. Когда компрессия достигает максимума,

срабатывает система
электроподжига (искра от свечи). В
результате этого микровзрыва
температура в камере сгорания достигает
16 000 — 18 000 градусов. Образующиеся
газы давят на поршень, толкают его,
проворачивая соединенный с поршнем
коленчатый вал. Это и есть рабочий ход,
приводящий автомобиль в движение.

9.

10.

• А охладившиеся газы
через выпускной клапан
выбрасываются в
атмосферу. Пытаясь
улучшить
эффективность работы
устройства,
разработчики
увеличивали степень
сжатия горючей смеси,
но тогда она
самовоспламенялась
«досрочно».
• Немецкий инженер
Дизель нашел
интересный выход из
этого затруднения…

11. В цилиндрах дизеля за счёт движения поршня сжимается чистый воздух. Это позволило в несколько раз увеличить степень сжатия.

Температура в камере
сгорания достигает 900 град. В конце
такта сжатия туда впрыскивается
солярка. Её мелкие капли,
смешавшись со столь разогретым
воздухом, самовоспламеняются.
Образующиеся газы, расширяясь,
давят на поршень, осуществляя
рабочий ход.

12. Итак, дизельные двигатели отличаются от карбюраторных: По роду используемого топлива. Карбюраторные двигатели — бензиновые.

Итак, дизельные двигатели отличаются от
карбюраторных:
По роду используемого топлива. Карбюраторные
двигатели — бензиновые. Дизельные —
потребляют исключительно солярку.
Дизель на 15–20 % экономичнее карбюраторных
двигателей за счёт большей степени сжатия, но
его обслуживание дороже, чем у его соперника —
бензинового двигателя. В числе минусов дизеля
— в холодные российские зимы солярка
загустевает, нужен её подогрев.
Последние исследования американских учёных
показали, что выбросы от дизельных двигателей
по составу менее вредны, чем от их бензиновых
аналогов.

13. Многолетняя конкуренция между двумя видами ДВС завершилась распределением сферы их использования. Дизельные двигатели как более

мощные устанавливаются
на морском транспорте, на тракторах
и автомобилях большой
грузоподъёмности, а карбюраторные
— на автомобили малой и средней
грузоподъемности, на моторные
лодки, мотоциклы и т. д.

14. КПД тепловых машин

Для непрерывного совершения механической работы термодинамический цикл
должен быть замкнутым. Для оценки
эффективности
преобразования
внутренней энергии
газа в механическую
работу, совершаемую
за цикл, вводится
коэффициент
полезного действия

15.

Нагреватель Тн
КПД тепловых машин
Qн
А Qн Qх
Qн
Qн
Рабочее тело
(Газ)
Qх
Холодильник Тх
А
Qх
1
Qн

16.

17.

18. КПД всегда меньше единицы. КПД также можно выразить в процентах. КПД всегда меньше 100 %.

19.

20.

21.

22.

23. Гидравлический домкрат

24.

p
3
U pV
2
Qн
2
3p
p
3
4
1
0
V
Qх
4V V
T
1→2
2→3
3→4
4→1
pV
= const
р
V
T
p
const T = const
V
= const
const
T
p
const T = const
V
const
= const
T
Q A U
Qн Q1 3
Qн A1 3 U1 3
A
ΔU
Q
Контакт
0
>0
>0
Н
>0
>0 >0
Н
0
<0
<0
Х
<0 <0
<0
Х

25.

А Qн Qх
Qн
Qн
Нагреватель Тн
Qн
Рабочее тело
(Газ)
Qх
Холодильник Тх
А
Для ИТМ
А Тн Т х
Qн
Тн

26.

27. Французский инженер Сади Карно выяснил, что максимальный КПД будет при цикле, состоящем из двух изотермических и двух

адиабатных
процессах:
1-2: изотермическое расширение газа (газу
подводится тепло); Т= Т1
2-3: охлаждение газа при адиабатном
расширении (температура газа понижается
до температуры холодильника);
3-4: Газ изотермически сжимается,
передавая холодильнику теплоту;
4-1: адиабатное сжатие, при котором газ
нагревается до температуры Т1

28.

29.

30.

31.

32.

33.

1. Впуск.
Одной из граней ротор затягивает топливновоздушную смесь в камеру двигателя
3. Рабочий ход.
После воспламенения смеси расширяющиеся газы
вращают ротор вокруг эксцентрика, совершая
полезную работу
2. Сжатие.
Проталкивая смесь по направлению к
свечам зажигания, ротор сжимает ее
4. Выпуск
Как только одна из вершин ротора открывает выпускное
окно, отработавшие газы удаляются в атмосферу

34.

35.

Реактивный двигатель на твердом топливе

36.

37.

Прямоточный реактивный двигатель
поток
воздуха

38.

Жидкостный реактивный двигатель

39.

Газотурбинный реактивный двигатель

40.

Газотурбинный реактивный двигатель

41.

42.

Нагреватель Т н
Qн
Рабочее тело
(Газ)
Qх
Холодильник Тх
А

43.

ХОЛОДИЛЬНИК

44. Для повышения КПД теплового двигателя следует понижать температуру холодильника и увеличивать температуру нагревателя.

Использование тепловых
двигателей негативно сказывается на
окружающей среде. При сжигании топлива
в атмосферу выделяется углекислый газ,
который поглощает инфракрасное
излучение с поверхности Земли, что
приводит к парниковому эффекту.
Ежегодно температура атмосферы Земли
повышается на 0, 05 0 С

45. Задача № 703 Двигатель работает по циклу Карно. Как изменится КПД теплового двигателя, если при постоянной температуре

холодильника 17оС
температуру нагревателя повысить со 127 до 447оС?

46. Задача № 525

• Определите КПД двигателя трактора, которому
для выполнения работы 1,9 · 107Дж
потребовалось 1,5 кг топлива с удельной теплотой
сгорания 4,2 · 107Дж/кг.