Кпд тепловых двигателей примерно составляет: КПД теплового двигателя — урок. Физика, 8 класс.

Как определяется кпд теплового двигателя. Тепловой двигатель. Коэффициент полезного действия теплового двигателя. Экологические последствия работы тепловых двигателей

Физика, 10 класс

Урок 25. Тепловые двигатели. КПД тепловых двигателей

Перечень вопросов, рассматриваемых на уроке:

1) Понятие теплового двигателя;

2)Устройство и принцип действия теплового двигателя;

3)КПД теплового двигателя;

4) Цикл Карно.

Глоссарий по теме

Тепловой двигатель – устройство, в котором внутренняя энергия топлива превращается в механическую.

КПД (коэффициент полезного действия) – это отношение полезной работы, совершенной данным двигателем, к количеству теплоты, полученному от нагревателя.

Двигатель внутреннего сгорания – двигатель, в котором топливо сгорает непосредственно в рабочей камере (внутри) двигателя.

Реактивный двигатель – двигатель, создающий необходимую для движения силу тяги посредством преобразования внутренней энергии топлива в кинетическую энергию реактивной струи рабочего тела.

Цикл Карно – это идеальный круговой процесс, состоящий из двух адиабатных и двух изотермических процессов.

Нагреватель – устройство, от которого рабочее тело получает энергию, часть которой идет на совершение работы.

Холодильник – тело, поглощающее часть энергии рабочего тела (окружающая среда или специальные устройства для охлаждения и конденсации отработанного пара, т.е. конденсаторы).

Рабочее тело — тело, которое расширяясь, совершает работу (им является газ или пар)

Основная и дополнительная литература по теме урока :

1. Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Сотский Н.Н. Физика.10 класс. Учебник для общеобразовательных организаций М.: Просвещение, 2017. – С. 269 – 273.

2. Рымкевич А.П. Сборник задач по физике. 10-11 класс. -М.: Дрофа,2014. – С. 87 – 88.

Открытые электронные ресурсы по теме урока

Теоретический материал для самостоятельного изучения

Сказки и мифы разных народов свидетельствуют о том, что люди всегда мечтали быстро перемещаться из одного места в другое или быстро совершать ту или иную работу. Для достижения этой цели нужны были устройства, которые могли бы совершать работу или перемещаться в пространстве. Наблюдая за окружающим миром, изобретатели пришли к выводу, что для облегчения труда и быстрого передвижения нужно использовать энергию других тел, к примеру, воды, ветра и т.д. Можно ли использовать внутреннюю энергию пороха или другого вида топлива для своих целей? Если мы возьмём пробирку, нальём туда воду, закроем её пробкой и будем нагревать. При нагревании вода закипит, и образовавшие пары воды вытолкнут пробку. Пар расширяясь совершает работу. На этом примере мы видим, что внутренняя энергия топлива превратилась в механическую энергию движущейся пробки. При замене пробки поршнем способным перемещаться внутри трубки, а саму трубку цилиндром, то мы получим простейший тепловой двигатель.

Тепловой двигатель – тепловым двигателем называется устройство, в котором внутренняя энергия топлива превращается в механическую.

Вспомним строение простейшего двигателя внутреннего сгорания. Двигатель внутреннего сгорания состоит из цилиндра, внутри которого перемещается поршень. Поршень с помощью шатуна соединяется с коленчатым валом. В верхней части каждого цилиндра имеются два клапана. Один из клапанов называют впускным, а другой – выпускным. Для обеспечения плавности хода поршня на коленчатом вале укреплен тяжелый маховик.

Рабочий цикл ДВС состоит из четырех тактов: впуск, сжатие, рабочий ход, выпуск.

Во время первого такта открывается впускной клапан, а выпускной клапан остается закрытым. Движущийся вниз поршень засасывает в цилиндр горючую смесь.

Во втором такте оба клапана закрыты. Движущийся вверх поршень сжимает горючую смесь, которая при сжатии нагревается.

В третьем такте, когда поршень оказывается в верхнем положении, смесь поджигается электрической искрой свечи. Воспламенившаяся смесь образует раскаленные газы, давление которых составляет 3 -6 МПа, а температура достигает 1600 -2200 градусов. Сила давления толкает поршень вниз, движение которого передается коленчатому валу с маховиком. Получив сильный толчок маховик будет дальше вращаться по инерции, обеспечивая движение поршня и при последующих тактах. Во время этого такта оба клапана остаются закрытыми.

В четвертом такте открывается выпускной клапан и отработанные газы движущимся поршнем выталкиваются через глушитель (на рисунке не показан) в атмосферу.

Любой тепловой двигатель включает в себя три основных элемента: нагреватель, рабочее тело, холодильник.

Для определения эффективности работы теплового двигателя вводят понятие КПД.

Коэффициентом полезного действия называют отношение полезной работы, совершенной данным двигателем, к количеству теплоты, полученному от нагревателя.

Q 1 – количество теплоты полученное от нагревания

Q 2 – количество теплоты, отданное холодильнику

– работа, совершаемая двигателем за цикл.

Этот КПД является реальным, т.е. как раз эту формулу и используют для характеристики реальных тепловых двигателей.

Зная мощность N и время работы t двигателя работу, совершаемую за цикл можно найти по формуле

Передача неиспользуемой части энергии холодильнику .

В XIX веке в результате работ по теплотехнике французский инженер Сади Карно предложил другой способ определения КПД (через термодинамическую температуру).

Главное значение этой формулы состоит в том, что любая реальная тепловая машина, работающая с нагревателем, имеющим температуру Т 1 , и холодильником с температурой Т 2 , не может иметь КПД, превышающий КПД идеальной тепловой машины. Сади Карно, выясняя при каком замкнутом процессе тепловой двигатель будет иметь максимальный КПД, предложил использовать цикл, состоящий из 2 адиабатных и двух изотермических процессов

Цикл Карно — самый эффективный цикл, имеющий максимальный КПД.

Не существует теплового двигателя, у которого КПД = 100% или 1.

Формула дает теоретический предел для максимального значения КПД тепловых двигателей. Она показывает, что тепловой двигатель тем эффективнее, чем выше температура нагревателя и ниже температура холодильника. Лишь при температуре холодильника, равной абсолютному нулю, η = 1.

Но температура холодильника практически не может быть ниже температуры окружающего воздуха. Повышать температуру нагревателя можно. Однако любой материал (твердое тело) обладает ограниченной теплостойкостью, или жаропрочностью. При нагревании он постепенно утрачивает свои упругие свойства, а при достаточно высокой температуре плавится.

Сейчас основные усилия инженеров направлены на повышение КПД двигателей за счет уменьшения трения их частей, потерь топлива вследствие его неполного сгорания и т. д. Реальные возможности для повышения КПД здесь все еще остаются большими.

Повышение КПД тепловых двигателей и приближение его к максимально возможному — важнейшая техническая задача.

Тепловые двигатели – паровые турбины, устанавливают также на всех АЭС для получения пара высокой температуры. На всех основных видах современного транспорта преимущественно используются тепловые двигатели: на автомобильном – поршневые двигатели внутреннего сгорания; на водном – двигатели внутреннего сгорания и паровые турбины; на железнодорожном – тепловозы с дизельными установками; в авиационном – поршневые, турбореактивные и реактивные двигатели.

Сравним эксплуатационные характеристики тепловых двигателей.

Паровой двигатель – 8%.

Паровая турбина – 40%.

Газовая турбина – 25-30%.

Двигатель внутреннего сгорания – 18-24%.

Дизельный двигатель – 40– 44%.

Реактивный двигатель – 25%.

Широкое использование тепловых двигателей не проходит бесследно для окружающей среды: постепенно уменьшается количество кислорода и увеличивается количество углекислого газа в атмосфере, воздух загрязняется вредными для здоровья человека химическими соединениями. Возникает угроза изменения климата. Поэтому нахождение путей уменьшения загрязнения окружающей среды является сегодня одной из наиболее актуальных научно-технических проблем.

Примеры и разбор решения заданий

1 . Какую среднюю мощность развивает двигатель автомобиля, если при скорости 180 км/ч расход бензина составляет 15 л на 100 км пути, а КПД двигателя 25%?

Работу многих видов машин характеризует такой важный показатель, как КПД теплового двигателя. Инженеры с каждым годом стремятся создавать более совершенную технику, которая при меньших давала бы максимальный результат от его использования.

Устройство теплового двигателя

Прежде чем разбираться в том, что такое необходимо понять, как же работает этот механизм. Без знания принципов его действия нельзя выяснить сущность этого показателя. Тепловым двигателем называют устройство, которое совершает работу благодаря использованию внутренней энергии. Любая тепловая машина, превращающая в механическую, использует тепловое расширение веществ при повышении температуры. В твердотельных двигателях возможно не только изменение объема вещества, но и формы тела. Действие такого двигателя подчинено законам термодинамики.

Принцип функционирования

Для того чтобы понять, как же работает тепловой двигатель, необходимо рассмотреть основы его конструкции. Для функционирования прибора необходимы два тела: горячее (нагреватель) и холодное (холодильник, охладитель). Принцип действия тепловых двигателей (КПД тепловых двигателей) зависит от их вида. Зачастую холодильником выступает конденсатор пара, а нагревателем — любой вид топлива, сгорающий в топке. КПД идеального теплового двигателя находится по такой формуле:

КПД = (Тнагрев. — Тхолод.)/ Тнагрев. х 100%.

При этом КПД реального двигателя никогда не сможет превысить значения, полученного согласно этой формуле. Также этот показатель никогда не превысит вышеупомянутого значения. Чтобы повысить КПД, чаще всего увеличивают температуру нагревателя и уменьшают температуру холодильника. Оба эти процесса будут ограничены реальными условиями работы оборудования.

При функционировании теплового двигателя совершается работа, по мере которой газ начинает терять энергию и охлаждается до некой температуры. Последняя, как правило, на несколько градусов выше окружающей атмосферы. Это температура холодильника. Такое специальное устройство предназначено для охлаждения с последующей конденсацией отработанного пара. Там, где имеются конденсаторы, температура холодильника иногда ниже температуры окружающей среды.

В тепловом двигателе тело при нагревании и расширении не способно отдать всю свою внутреннюю энергию для совершения работы. Какая-то часть теплоты будет передана холодильнику вместе с или паром. Эта часть тепловой неизбежно теряется. Рабочее тело при сгорании топлива получает от нагревателя определенное количество теплоты Q 1 . При этом оно еще совершает работу A, в ходе которой передает холодильнику часть тепловой энергии: Q 2

КПД характеризует эффективность двигателя в сфере преобразования и передачи энергии. Этот показатель часто измеряется в процентах. Формула КПД:

η*A/Qx100 %, где Q — затраченная энергия, А — полезная работа.

Исходя из закона сохранения энергии, можно сделать вывод, что КПД будет всегда меньше единицы. Другими словами, полезной работы никогда не будет больше, чем на нее затрачено энергии.

КПД двигателя — это отношение полезной работы к энергии, сообщенной нагревателем. Его можно представить в виде такой формулы:

η = (Q 1 -Q 2)/ Q 1 , где Q 1 — теплота, полученная от нагревателя, а Q 2 — отданная холодильнику.

Работа теплового двигателя

Работа, совершаемая тепловым двигателем, рассчитывается по такой формуле:

A = |Q H | — |Q X |, где А — работа, Q H — количество теплоты, получаемое от нагревателя, Q X — количество теплоты, отдаваемое охладителю.

|Q H | — |Q X |)/|Q H | = 1 — |Q X |/|Q H |

Он равняется отношению работы, которую совершает двигатель, к количеству полученной теплоты. Часть тепловой энергии при этой передаче теряется.

Двигатель Карно

Максимальное КПД теплового двигателя отмечается у прибора Карно. Это обусловлено тем, что в указанной системе он зависит только лишь от абсолютной температуры нагревателя (Тн) и охладителя (Тх). КПД теплового двигателя, работающего по определяется по следующей формуле:

(Тн — Тх)/ Тн = — Тх — Тн.

Законы термодинамики позволили высчитать максимальный КПД, который возможен. Впервые этот показатель вычислил французский ученый и инженер Сади Карно. Он придумал тепловую машину, которая функционировала на идеальном газу. Она работает по циклу из 2 изотерм и 2 адиабат. Принцип ее работы довольно прост: к сосуду с газом подводят контакт нагревателя, вследствие чего рабочее тело расширяется изотермически. При этом оно функционирует и получает определенное количество теплоты. После сосуд теплоизолируют. Несмотря на это, газ продолжает расширяться, но уже адиабатно (без теплообмена с окружающей средой). В это время его температура снижается до показателей холодильника. В этот момент газ контактирует с холодильником, вследствие чего отдает ему определенное количество теплоты при изометрическом сжатии. Потом сосуд снова теплоизолируют. При этом газ адиабатно сжимается до первоначального объема и состояния.

Разновидности

В наше время существует много типов тепловых двигателей, которые работают по разным принципам и на различном топливе. У всех у них свой КПД. К ним относятся следующие:

Двигатель внутреннего сгорания (поршневой), представляющий собой механизм, где часть химической энергии сгорающего топлива переходит в механическую энергию. Такие приборы могут быть газовыми и жидкостными. Различают 2- и 4-тактные двигатели. У них может быть рабочий цикл непрерывного действия. По методу приготовления смеси топлива такие двигатели бывают карбюраторными (с внешним смесеобразованием) и дизельными (с внутренним). По видам преобразователя энергии их разделяют на поршневые, реактивные, турбинные, комбинированные. КПД таких машин не превышает показателя в 0,5.

Двигатель Стирлинга — прибор, в котором рабочее тело находится в замкнутом пространстве. Он является разновидностью двигателя внешнего сгорания. Принцип его действия основан на периодическом охлаждении/нагреве тела с получением энергии вследствие изменения его объема. Это один из самых эффективных двигателей.

Турбинный (роторный) двигатель с внешним сгоранием топлива. Такие установки чаще всего встречаются на тепловых электрических станциях.

Турбинный (роторный) ДВС используется на тепловых электрических станциях в пиковом режиме. Не так сильно распространен, как другие.

Турбиновинтовой двигатель за счет винта создает некоторую часть тяги. Остальное он получает за счет выхлопных газов. Его конструкция представляет собой роторный двигатель на вал которого насаживают воздушный винт.

Другие виды тепловых двигателей

Ракетные, турбореактивные и которые получают тягу за счет отдачи выхлопных газов.

Твердотельные двигатели используют в качестве топлива твердое тело. При работе изменяется не его объем, а форма. При эксплуатации оборудования используется предельно малый перепад температуры.

Как можно повысить КПД

Возможно ли повышение КПД теплового двигателя? Ответ нужно искать в термодинамике. Она изучает взаимные превращения разных видов энергии. Установлено, что нельзя всю имеющуюся механическую и т. п. При этом преобразование их в тепловую происходит без каких-либо ограничений. Это возможно из-за того, что природа тепловой энергии основана на неупорядоченном (хаотичном) движении частиц.

Чем сильнее разогревается тело, тем быстрее будут двигаться составляющие его молекулы. Движение частиц станет еще более беспорядочным. Наряду с этим все знают, что порядок можно легко превратить в хаос, который очень трудно упорядочить.

Главное значение полученной Карно формулы (5.12.2) для КПД идеальной машины состоит в том, что она определяет максимально возможный КПД любой тепловой машины.

Карно доказал, основываясь на втором законе термодинамики*, следующую теорему: любая реальная тепловая машина, работающая с нагревателем температуры Т

* Карно фактически установил второй закон термодинамики до Клаузиуса и Кельвина, когда еще первый закон термодинамики не был сформулирован строго.

Рассмотрим вначале тепловую машину, работающую по обратимому циклу с реальным газом. Цикл может быть любым, важно лишь, чтобы температуры нагревателя и холодильника были Т 1 и Т 2 .

Допустим, что КПД другой тепловой машины (не работающей по циклу Карно) η’ > η. Машины работают с общим нагревателем и общим холодильником. Пусть машина Карно работает по обратному циклу (как холодильная машина), а другая машина — по прямому циклу (рис. 5.18). Тепловая машина совершает работу, равную согласно формулам (5.12.3) и (5.12.5):

Холодильную машину всегда можно сконструировать так, чтобы она брала от холодильника количество теплоты Q 2 = ||

Тогда согласно формуле (5.12.7) над ней будет совершаться работа

(5.12.12)

Так как по условию η» > η, то А» > А. Поэтому тепловая машина может привести в действие холодильную машину, да еще останется избыток работы. Эта избыточная работа совершается за счет теплоты, взятой от одного источника. Ведь холодильнику при действии сразу двух машин теплота не передается. Но это противоречит второму закону термодинамики.

Если допустить, что η > η«, то можно другую машину заставить работать по обратному циклу, а машину Карно — по прямому. Мы опять придем к противоречию со вторым законом термодинамики. Следовательно, две машины, работающие по обратимым циклам, имеют одинаковые КПД: η» = η.

Иное дело, если вторая машина работает по необратимому циклу. Если допустить η» > η, то мы опять придем к противоречию со вторым законом термодинамики. Однако допущение т|» » ≤ η, или

Это и есть основной результат:

(5.12.13)

Кпд реальных тепловых машин

Формула (5.12.13) дает теоретический предел для максимального значения КПД тепловых двигателей. Она показывает, что тепловой двигатель тем эффективнее, чем выше температура нагревателя и ниже температура холодильника. Лишь при температуре холодильника, равной абсолютному нулю, η = 1.

Но температура холодильника практически не может быть намного ниже температуры окружающего воздуха. Повышать температуру нагревателя можно. Однако любой материал (твердое тело) обладает ограниченной теплостойкостью, или жаропрочностью. При нагревании он постепенно утрачивает свои упругие свойства, а при достаточно высокой температуре плавится.

Сейчас основные усилия инженеров направлены на повышение КПД двигателей за счет уменьшения трения их частей, потерь топлива вследствие его неполного сгорания и т. д. Реальные возможности для повышения КПД здесь все еще остаются большими. Так, для паровой турбины начальные и конечные температуры пара примерно таковы: Т 1 = 800 К и Т 2 = 300 К. При этих температурах максимальное значение коэффициента полезного действия равно:

Действительное же значение КПД из-за различного рода энергетических потерь приблизительно равно 40%. Максимальный КПД — около 44% — имеют двигатели внутреннего сгорания.

Коэффициент полезного действия любого теплового двигателя не может превышать максимально возможного значения
, где Т 1 — абсолютная температура нагревателя, а Т 2 — абсолютная температура холодильника.

Повышение КПД тепловых двигателей и приближение его к максимально возможному — важнейшая техническая задача.

Чтобы двигатель совершал работу, необходима разность давлений по обе стороны поршня двигателя или лопастей турбины. Во всех тепловых двигателях эта разность давлений достигается за счет повышения температуры рабочего тела на сотни градусов по сравнению с температурой окружающей среды. Такое повышение температуры происходит при сгорании топлива.

Рабочим телом у всех тепловых двигателей является газ (см. § 3.11), который совершает работу при расширении. Обозначим начальную температуру рабочего тела (газа) через Т 1 . Эту температуру в паровых турбинах или машинах приобретает пар в паровом котле. В двигателях внутреннего сгорания и газовых турбинах повышение температуры происходит при сгорании топлива внутри самого двигателя. Температуру Т 1 называют температурой нагревателя.

Роль холодильника

По мере совершения работы газ теряет энергию и неизбежно охлаждается до некоторой температуры Т 2 . Эта температура не может быть ниже температуры окружающей среды, так как в противном случае давление газа станет меньше атмосферного и двигатель не сможет работать. Обычно температура Т 2 несколько больше температуры окружающей среды. Ее называют температурой холодильника. Холодильником являются атмосфера или специальные устройства для охлаждения и конденсации отработанного пара — конденсаторы. В последнем случае температура холодильника может быть несколько ниже температуры атмосферы.

Таким образом, в двигателе рабочее тело при расширении не может отдать всю свою внутреннюю энергию на совершение работы. Часть энергии неизбежно передается атмосфере (холодильнику) вместе с отработанным паром или выхлопными газами двигателей внутреннего сгорания и газовых турбин. Эта часть внутренней энергии безвозвратно теряется. Именно об этом и говорит второй закон термодинамики в формулировке Кельвина.

Принципиальная схема теплового двигателя изображена на рисунке 5.15. Рабочее тело двигателя получает при сгорании топлива количество теплоты Q 1 , совершает работу А» и передает холодильнику количество теплоты |Q 2 | Q 1 |.

Кпд теплового двигателя

Согласно закону сохранения энергии работа, совершаемая двигателем, равна

(5.11.1)

где Q 1 — количество теплоты, полученное от нагревателя, a Q 2 — количество теплоты, отданное холодильнику.

Коэффициентом полезного действия теплового двигателя называют отношение работы А», совершаемой двигателем, к количеству теплоты, полученному от нагревателя:

(5.11.2)

У паровой турбины нагревателем является паровой котел, а у двигателей внутреннего сгорания — сами продукты сгорания топлива.

Так как у всех двигателей некоторое количество теплоты передается холодильнику, то η

Применение тепловых двигателей

Наибольшее значение имеет использование тепловых двигателей (в основном мощных паровых турбин) на тепловых электростанциях, где они приводят в движение роторы генераторов электрического тока. Около 80% всей электроэнергии в нашей стране вырабатывается на тепловых электростанциях.

Тепловые двигатели (паровые турбины) устанавливают также на атомных электростанциях. На этих станциях для получения пара высокой температуры используется энергия атомных ядер.

На всех основных видах современного транспорта преимущественно используются тепловые двигатели. На автомобилях применяют поршневые двигатели внутреннего сгорания с внешним образованием горючей смеси (карбюраторные двигатели) и двигатели с образованием горючей смеси непосредственно внутри цилиндров (дизели). Эти же двигатели устанавливаются на тракторах.

На железнодорожном транспорте до середины XX в. основным двигателем была паровая машина. Теперь же главным образом используют тепловозы с дизельными установками и электровозы. Но и электровозы получают энергию от тепловых двигателей электростанций.

На водном транспорте используются как двигатели внутреннего сгорания, так и мощные турбины для крупных судов.

В авиации на легких самолетах устанавливают поршневые двигатели, а на огромных лайнерах — турбовинтовые и реактивные двигатели, которые также относятся к тепловым двигателям. Реактивные двигатели применяются и на космических ракетах.

Без тепловых двигателей современная цивилизация немыслима. Мы не имели бы дешевую электроэнергию и были бы лишены всех видов современного скоростного транспорта.

Издревле люди пытались преобразовать энергию в механическую работу. Они преобразовывали кинетическую энергию ветра, потенциальную энергию воды и т.д. Начиная, с 18 века начали появляться машины, преобразовывающие внутреннею энергию топлива в работу. Подобные машины работали, благодаря тепловым двигателям.

Тепловой двигатель – прибор, преобразующий тепловую энергию в механическую работу, за счет расширения (чаще всего газов) от высокой температуры.

Любые тепловые двигатели имеют составные части:

• Нагревательный элемент . Тело с высокой температурой относительно окружающей среды.
• Рабочее тело. Поскольку работу обеспечивает расширение, данный элемент должен хорошо расширяться. Как правило, используется газ или пар.
• Охладитель . Тело с низкой температурой.

Рабочее тело получает тепловую энергию от нагревателя. В следствии, оно начинает расширяться и совершать работу. Чтобы система могла вновь совершить работу, её нужно вернуть в исходное состояние. Поэтому рабочее тело охлаждается, то есть излишняя тепловая энергия, как бы сбрасывается в охлаждающий элемент. И система приходит в изначальное состояние, далее процесс повторяется снова.

Вычисление КПД

Для расчета КПД, введем следующие обозначения:

Q 1 –Количество теплоты получаемое от нагревательного элемента

A’– Работа совершаемая рабочим телом

Q 2 –Количество теплоты полученной рабочим телом от охладителя

В процессе охлаждения, тело передает теплоту, поэтому Q 2

Работа такого устройства это циклический процесс. Это означает, что после совершения полного цикла, внутренняя энергия вернется в исходное состояние. Тогда, по первому закону термодинамики, работа совершаемая рабочим телом будет равна, разности количества теплоты полученного от нагревателя и теплоты полученного от охладителя:

Q 2 – отрицательная величина, поэтому она берется по модулю

КПД выражается как отношение полезной работы к полной работе, которая выполнила система. В данном случае, полная работа будет равно количеству теплоты, которое израсходовано на нагревание рабочего тела. Вся затраченная энергия выражается через Q 1 .

Поэтому коэффициент полезного действия определяется как.

Тепловой двигатель на новом термодинамическом принципе — Энергетика и промышленность России — № 06 (242) март 2014 года — WWW.EPRUSSIA.RU

Газета «Энергетика и промышленность России» | № 06 (242) март 2014 года

Секрет черепахи

Особенностью всех тепловых двигателей, подчиняющихся теории Карно, является использование процесса расширения рабочего тела, позволяющего в цилиндрах поршневых двигателей и в роторах турбин получать механическую работу. Вершиной сегодняшней теплоэнергетики по эффективности преобразования тепла в работу являются парогазовые установки. В них КПД превышает 60 %, при перепадах температур свыше 1000 ºС.

В экспериментальной биологии еще более 50 лет назад установлены удивительные факты, противоречащие устоявшимся представлениям классической термодинамики. Так, КПД мышечной деятельности черепахи достигает эффективности в 75‑80 %. При этом перепад температур в клетке не превышает долей градуса. Причем и в тепловой машине, и в клетке энергия химических связей сначала в реакциях окисления превращается в тепло, а затем тепло превращается в механическую работу. Термодинамика по этому поводу предпочитает молчать. По ее канонам для такого КПД нужны перепады температур, несовместимые с жизнью. В чем же секрет черепахи?

Традиционные процессы

Со времен паровой машины Уатта, первого массового теплового двигателя, до сегодняшнего дня теория тепловых машин и технические решения по их реализации прошли длительный путь эволюции. Это направление породило огромное количество конструктивных разработок и связанных с ними физических процессов, общей задачей которых было преобразование тепловой энергии в механическую работу. Неизменным для всего многообразия тепловых машин было понятие «компенсации за преобразование тепла в работу». Это понятие сегодня воспринимается как абсолютное знание, каждодневно доказываемое всей известной практикой человеческой деятельности. Отметим, что факты известной практики вовсе не являются базой абсолютного знания, а лишь базой знаний данной практики. Для примера – и самолеты не всегда летали.

Общим технологическим недостатком сегодняшних тепловых машин (двигатели внутреннего сгорания, газовые и паровые турбины, ракетные двигатели) является необходимость передачи в окружающую среду большей части тепла, подведенного в цикл тепловой машины. Главным образом, поэтому они имеют низкий КПД и экономичность.

Обратим особое внимание на тот факт, что все перечисленные тепловые машины для преобразования тепла в работу используют процессы расширения рабочего тела. Именно эти процессы позволяют преобразовывать потенциальную энергию тепловой системы в кооперативную кинетическую энергию потоков рабочего тела и далее в механическую энергию движущих деталей тепловых машин (поршней и роторов).

Отметим еще один, пусть тривиальный, факт, что тепловые машины работают в воздушной атмосфере, находящейся под постоянным сжатием сил гравитации. Именно силы гравитации создают давление окружающей среды. Компенсация за преобразование тепла в работу связана с необходимостью производить работу против сил гравитации (или, то же самое, против давления окружающей среды, вызванного силами гравитации). Совокупность двух выше отмеченных фактов и приводит к «ущербности» всех современных тепловых машин, к необходимости передачи окружающей среде части подведенного в цикл тепла.

Природа компенсации

Природа компенсации за преобразование тепла в работу заключается в том, что 1 кг рабочего тела на выходе из тепловой машины имеет больший объем – под воздействием процессов расширения внутри машины, – чем объем на входе в тепловую машину.

А это означает, что, прогоняя через тепловую машину 1 кг рабочего тела, мы расширяем атмосферу на величину, для чего необходимо произвести работу против сил гравитации – работу проталкивания.

На это затрачивается часть механической энергии, полученной в машине. Однако работа по проталкиванию – это только одна часть затрат энергии на компенсацию. Вторая часть затрат связана с тем, что на выхлопе из тепловой машины в атмосферу 1 кг рабочего тела должен иметь то же атмосферное давление, что и на входе в машину, но при большем объеме. А для этого, в соответствии с уравнением газового состояния, он должен иметь и большую температуру, т. е. мы вынуждены передать в тепловой машине килограмму рабочего тела дополнительную внутреннюю энергию. Это вторая составляющая компенсации за преобразование тепла в работу.

Из этих двух составляющих и складывается природа компенсации. Обратим внимание на взаимозависимость двух составляющих компенсации. Чем больше объем рабочего тела на выхлопе из тепловой машины по сравнению с объемом на входе, тем больше не только работа по расширению атмосферы, но и необходимая прибавка внутренней энергии, т. е. нагрев рабочего тела на выхлопе. И наоборот, если за счет регенерации снижать температуру рабочего тела на выхлопе, то в соответствии с уравнением газового состояния будет снижаться и объем рабочего тела, а значит, и работа проталкивания. Если провести глубокую регенерацию и снизить температуру рабочего тела на выхлопе до температуры на входе и тем самым одновременно сравнять объем килограмма рабочего тела на выхлопе до объема на входе, то компенсация за преобразование тепла в работу будет равна нулю.

Но есть принципиально иной способ преобразования тепла в работу, без использования процесса расширения рабочего тела. При этом способе в качестве рабочего тела используется несжимаемая жидкость. Удельный объем рабочего тела в циклическом процессе преобразования тепла в работу остается постоянным. По этой причине не происходит расширения атмосферы и, соответственно, затрат энергии, свойственных тепловым машинам, использующим процессы расширения. Необходимость в компенсации за преобразование тепла в работу отпадает. Это возможно в сильфоне. Подвод тепла к постоянному объему несжимаемой жидкости приводит к резкому увеличению давления. Так, нагрев воды при постоянном объеме на 1 ºС приводит к увеличению давления на пять атмосфер. Этот эффект и используется для изменения формы (у нас сжатия) сильфона и совершения работы.

Сильфонно-поршневой двигатель

Предлагаемый к рассмотрению тепловой двигатель реализует отмеченный выше принципиально иной способ преобразования тепла в работу. Данная установка, исключая передачу большей части подведенного тепла окружающей среде, не нуждается в компенсации за преобразование тепла в работу.

Для реализации этих возможностей предлагается тепловой двигатель, содержащий рабочие цилиндры, внутренняя полость которых объединена с помощью перепускного трубопровода, имеющего регулирующую арматуру. Она заполнена в качестве рабочего тела кипящей водой (влажным паром со степенью сухости порядка 0,05‑0,1). Внутри рабочих цилиндров расположены сильфонные поршни, внутренняя полость которых объединена с помощью перепускного трубопровода в единый объем. Внутренняя полость сильфонных поршней соединена с атмосферой, что обеспечивает внутри объема сильфонов постоянное атмосферное давление.

Сильфонные поршни соединены ползуном с кривошипно-шатунным механизмом, преобразующим тяговое усилие сильфонных поршней во вращательное движение коленчатого вала.

Рабочие цилиндры расположены в объеме сосуда, заполненного кипящим трансформаторным или турбинным маслом. Кипение масла в сосуде обеспечивается подводом тепла от внешнего источника. Каждый рабочий цилиндр имеет съемный теплоизоляционный кожух, который в нужный момент или охватывает цилиндр, прекращая процесс теплопередачи между кипящим маслом и цилиндром, или освобождает поверхность рабочего цилиндра и при этом обеспечивается передача тепла от кипящего масла к рабочему телу цилиндра.

Кожуха по длине делятся на отдельные цилиндрические секции, состоящие из двух половинок, скорлуп, при сближении охватывающих цилиндр. Особенностью конструкции является расположение рабочих цилиндров по одной оси. Шток обеспечивает механическое взаимодействие сильфонных поршней разных цилиндров.

Сильфонный поршень, выполненный в форме сильфона, одной стороной неподвижно закреплен с трубопроводом, соединяющим внутренние полости сильфонных поршней с разделительной стенкой корпуса рабочих цилиндров. Другая сторона, прикрепленная к ползуну, подвижна и перемещается (сжимается) во внутренней полости рабочего цилиндра под воздействием повышенного давления рабочего тела цилиндра.

Сильфон – тонкостенная гофрированная трубка или камера из стали, латуни, бронзы, растягивающаяся или сжимающаяся (как пружина) в зависимости от разности давлений внутри и снаружи или от внешнего силового воздействия.

Сильфонный поршень, напротив, выполнен из нетеплопроводящего материала. Возможно изготовление поршня и из названных выше материалов, но покрытых нетеплопроводным слоем. Поршень не обладает и пружинными свойствами. Его сжатие происходит только под воздействием перепада давлений по сторонам сильфона, а растяжение – под воздействием штока.

Работа двигателя

Тепловой двигатель работает следующим образом.

Описание рабочего цикла теплового двигателя начнем с ситуации, изображенной на рисунке. Сильфонный поршень первого цилиндра полностью растянут, а сильфонный поршень второго цилиндра полностью сжат. Теплоизоляционные кожуха на цилиндрах плотно прижаты к ним. Арматура на трубопроводе, соединяющем внутренние полости рабочих цилиндров, закрыта. Температура масла в сосуде с маслом, в котором расположены цилиндры, доводится до кипения. Давление кипящего масла в полости сосуда, рабочего тела внутри полостей рабочих цилиндров, равно атмосферному. Давление внутри полостей сильфонных поршней всегда равно атмосферному – так как они соединены с атмосферой.

Состояние рабочего тела цилиндров соответствует точке 1. В этот момент арматура и теплоизоляционный кожух на первом цилиндре открываются. Скорлупы теплоизоляционного кожуха отодвигаются от поверхности обечайки цилиндра 1. В этом состоянии обеспечена теплопередача от кипящего масла в сосуде, в котором расположены цилиндры, к рабочему телу первого цилиндра. Теплоизоляционный кожух на втором цилиндре, напротив, плотно облегает поверхность обечайки цилиндра. Скорлупы теплоизоляционного кожуха прижаты к поверхности обечайки цилиндра 2. Тем самым передача тепла от кипящего масла к рабочему телу цилиндра 2 невозможна. Так как температура кипящего при атмосферном давлении масла (примерно 350 ºС) в полости сосуда, содержащего цилиндры, выше температуры кипящей при атмосферном давлении воды (влажного пара со степенью сухости 0,05‑0,1), находящейся в полости первого цилиндра, то происходит интенсивная передача тепловой энергии от кипящего масла к рабочему телу (кипящей воде) первого цилиндра.

Как осуществляется работа

При работе сильфонно-поршневого двигателя проявляется существенно вредный момент.

Происходит передача тепла из рабочей зоны сильфонной гармошки, где осуществляется преобразование тепла в механическую работу, в нерабочую зону при циклическом перемещении рабочего тела. Это недопустимо, так как подогрев рабочего тела вне рабочей зоны приводит к возникновению перепада давлений и на неработающий сильфон. Тем самым будет возникать вредная сила против производства полезной работы.

Потери от охлаждения рабочего тела в сильфонно-поршневом двигателе не носят столь принципиально неизбежного характера, как потери тепла в теории Карно для циклов с процессами расширения. Потери от охлаждения в сильфонно-поршневом двигателе могут быть снижены до сколь угодно малой величины. Отметим, что в данной работе речь идет о термическом КПД. Внутренний относительный КПД, связанный с трением и другими техническими потерями, остается на уровне сегодняшних двигателей.

Парных рабочих цилиндров в описываемом тепловом двигателе может быть сколько угодно – в зависимости от требуемой мощности и прочих конструктивных условий.

На малых перепадах температур

В окружающей нас природе постоянно существуют различные перепады температур.

Например, перепады температур между различными по высоте слоями воды в морях и океанах, между массами воды и воздуха, перепады температур у термальных источников и т. п. Покажем возможность работы сильфонно-поршневого двигателя на естественных перепадах температур, на возобновляемых источниках энергии. Проведем оценки для климатических условий Арктики.

Холодный слой воды начинается от нижней кромки льда, где его температура равна 0 °С и до температуры плюс 4‑5 °С. В эту область будем отводить то небольшое количество тепла, которое отбирается из перепускного трубопровода, для поддержания постоянного уровня температур рабочего тела в нерабочих зонах цилиндров. Для контура (теплопровода), отводящего тепло, выбираем в качестве теплоносителя бутилен цис-2‑Б (температура кипения – конденсации при атмосферном давлении составляет +3,7 °С) или бутин 1‑Б (температура кипения +8,1 °С). Теплый слой воды в глубине определяем в диапазоне температур 10‑15°С. Сюда опускаем сильфонно-поршневой двигатель. Рабочие цилиндры непосредственно контактируют с морской водой. В качестве рабочего тела цилиндров выбираем вещества, которые имеют температуру кипения при атмосферном давлении ниже температуры теплого слоя. Это необходимо для обеспечения теплопередачи от морской воды к рабочему телу двигателя. В качестве рабочего тела цилиндров можно предложить хлорид бора (температура кипения +12,5 °С), бутадиен 1,2‑Б (температура кипения +10,85 °С), виниловый эфир (температура кипения +12 °С).

Имеется большое количество неорганических и органических веществ, отвечающих этим условиям. Тепловые контура с таким образом подобранными теплоносителями будут работать в режиме тепловой трубы (в режиме кипения), что обеспечит передачу больших тепловых мощностей при малых перепадах температуры. Перепад давления между внешней стороной и внутренней полостью сильфона, помноженный на площадь гармошки сильфона, создает усилие на ползун и порождает мощность двигателя, пропорциональную мощности подведенного тепла к цилиндру.

Если температуру нагрева рабочего тела снизить в десять раз (на 0,1 °С), то перепад давления по сторонам сильфона тоже снизится примерно в десять раз, до 0,5 атмосфер. Если при этом площадь гармошки сильфона также увеличить в десять раз (увеличивая число секций гармошек), то усилие на ползун и развиваемая мощность останутся неизменными при неизменном подводе тепла к цилиндру. Это позволит, во‑первых, использовать очень малые естественные перепады температур и, во вторых, резко снизить вредный разогрев рабочего тела и отвод тепла в окружающую среду, что позволит получить высокий КПД. Хотя здесь стремление к высокому. Оценки показывают, что мощность двигателя на естественных перепадах температур может составить до нескольких десятков киловатт на квадратный метр теплопроводящей поверхности рабочего цилиндра. В рассмотренном цикле нет высоких температур и давлений, что значительно удешевляет установку. Двигатель при работе на естественных перепадах температур не дает вредных выбросов в окружающую среду.

В качестве заключения автор хотел бы сказать следующее. Постулат о «компенсации за преобразование тепла в работу» и непримиримая, далеко выходящая за рамки полемического приличия позиция носителей этих заблуждений связали творческую инженерную мысль, породили туго затянутый узел проблем. Следует отметить, что инженерами уже давно изобретен сильфон и его широко используют в автоматике в качестве силового элемента, преобразующего тепло в работу. Но сложившаяся в термодинамике ситуация не позволяет провести объективное теоретическое и экспериментальное исследование его работы.

Вскрытие природы технологических недостатков современных тепловых машин показало, что «компенсация за преобразование тепла в работу» в ее устоявшемся толковании и те проблемы и негативные последствия, с которыми столкнулся по этой причине современный мир, есть не что иное, как компенсация за неполноту знания.

Обширный конспект урока «Поурочный план по физике 8 класса «Тепловые двигатели»»

17.11.2014 8 класс

Тема: Тепловые двигатели. КПД тепловых двигателей. Пути совершенствования тепловых двигателей. Холодильник.

Цели: образовательная: познакомить учащихся с КПД тепловых двигателей, с принципом работы тепловых машин.

развивающая: способствовать развитию внимания, памяти, наблюдательности.

воспитательная: интерес к физическим явлениям, усидчивость, прививать любовь к предмету.

Метод: словесный, практический.

Тип: урок изучение и закрепления новых знаний, умений и навыков.

Вид: комбинированный.

Оборудование: модель двигателя внутреннего сгорания в разрезе.

План урока.

1. Орг. момент.

2. Опрос домашнего задания.

3. Объяснение нового материала.

4. Закрепление.

5. Подведение итогов. Дом. Задание.

Ход урока.

1. Оргмомент.Приветствие. Проверка посещаемости, готовности урока к классу. Сообщение темы и цели урока.

2. Опрос домашнего задания. Проверить знания учащихся по пройденной теме, уровень понимания второго закона термодинамики, его физический смысл. Выслушать доклады по теме: Паровые и газовые турбины. Реактивные двигатели.

Вопросы для опроса.

1. Рассказать о необратимости тепловых процессов.

2. Сформулировать второй закон термодинамики. Его физический смысл.

3. Объяснение нового материала.

Тепловыми машинами называют устройства, с помощью которых часть внутренней энергии системы можно превратить в механическую энергию и за счет нее совершить работу.

В тепловых двигателях можно выделить три основные части: нагреватель, рабочее тело, холодильник. Q₁— количество теплоты, поступившие от нагревателя. Q₂— количество теплоты, которое не превратилось в механическую энергию. А – работа, которую совершил двигатель. Q₁= А+Q₂.

Рассказать о четырехтактном двигателе внутреннего сгорания, применяя модель.

Как видно из принципа действия всех тепловых двигателей, рабочее тело, получая некоторое количество теплоты от нагревателя Q₁, часть которого количества теплоты отдает холодильнику Q₂. Поэтому на совершение механической работы газом или паром при их расширении идет лишь оставшаяся внутренняя энергия, т.е. A=Q₁-Q₂.

Для характеристики эффективности тепловой машины по превращению внутренней энергии в механическую вводится коэффициент полезного действия (КПД) тепловой машины. КПД машины равен отношению совершенной работы к количеству теплоты, полученной от нагревателя: η==

Он означает, какую часть гот энергии, выделенной топливом, составляет полезная работа.

В термодинамики доказывается, что при идеальном процессе превращения внутренней энергии в механическую и при отсутствии тепловых потерь максимальный КПД машины был бы равен η=, где Т₁ – максимальная температура рабочего тела, Т₂ – минимальная температура холодильника или отработанных продуктов горения.

4. Закрепление.Упр.13 (1-3,6, устно), упр.13 (4, письменно у доски), решение данных задач покажет степень понимания учащимися пройденной темы.

5. Подведение итогов. Еще раз повторить основные понятия и определения их значение.

Д. з. §25,26. Упр.13 (5). Выставление оценок.

ТЕМА УРОКА: ТЕПЛОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ

ЦЕЛИ УРОКА:

• Формирование понятий и представлений о тепловом двигатели, его видах, принципе действия двигателя внутреннего сгорания, КПД теплового двигателя.

• Развитие логического мышления, памяти, способности находить оптимальный путь выполнения поставленной задачи; умения правильно объяснять физические понятия и явления; совершенствование навыков работы с персональным компьютером.

• Экологическое воспитание.

ТИП УРОКА: закрепление изученного материала,контроль знаний.

МЕТОДЫ: словесные, наглядные, проблемно-поисковые.

ФОРМЫ РАБОТЫ: коллективная, индивидуальная.

ПЛАН-КОНСПЕКТ УРОКА:

1. Организационный момент.

2. Повторение материала.

Кроссворд.

1. Один из способов изменения внутренней энергии тела (теплопередача).

2. Источник энергии, используемый в промышленности, на транспорте, в сельском хозяйстве, в быту (топливо).

3. Кинетическая, потенциальная, внутренняя (энергия).

4. Дерево даешь – съедает, от воды – умирает (огонь).

5. От этой величины зависит скорость движения молекул (температура).

6. Единица измерения мощности (Ватт).

7. Процесс соединения молекул горючего с кислородом, при котором выделяется энергия (горение).

8. Единица измерения энергии (Джоуль).

9. Один из видов теплопередачи (излучение).

Тема и цели урока.

Тема сегодняшнего урока – «Тепловые двигатели»

Сегодня на уроке мы:

— выясним, какие машины являются тепловыми двигателями;

— рассмотрим преобразование энергии в них;

— рассмотрим основные виды двигателей и их применение;

— изучим влияние на окружающую среду тепловых двигателей;

— определим возможные пути выхода из сложившейся экологической ситуации.

Жизнь людей невозможна без использования различных видов энергии, источниками которой являются различные виды топлива, ветер, солнце, приливы и отливы. Существуют различные виды машин, которые реализуют в своей работе превращение одного вида энергии в другой. Мы рассмотрим один из типов машин – тепловой двигатель.

Определение.

Тепловыми двигателями называют машины, в которых внутренняя энергия топлива превращается в механическую энергию.

Как же это происходит? Какие преобразования энергии здесь происходили? (энергия топлива переходит во внутреннюю энергию пара, а внутренняя энергия пара превращается в кинетическую энергию поршня).

Джеймс Уатт.

Такой двигатель был изобретен в конце XVIIв. Джеймсом Уаттом и усовершенствован в дальнейшем (сообщение учащегося).

Схема – классификация тепловых двигателей.

Существует несколько видов тепловых двигателей: паровая машина, двигатель внутреннего сгорания, паровая и газовая турбины, реактивный двигатель. Во всех этих двигателях энергия топлива сначала переходит в энергию газа (или пара). Газ, расширяясь, совершает работу и при этом охлаждается. Часть его внутренней энергии превращается в механическую энергию.

Структура двигателя и формула КПД.

Т.е. тепловой двигатель состоит из нагревателя (устройства, где сгорает топливо), рабочего тела и холодильника. Газ или пар, который является рабочим телом, получает от нагревателя некоторое количество теплоты (Q₁). Рабочее тело, нагреваясь, расширяется и совершает работу (А_п) за счет своей внутренней энергии. Часть энергии (Q₂) передается холодильнику вместе с отработанным паром или выхлопными газами.

Большая часть энергии топлива не используется полезно, а теряется в окружающем пространстве.

Как называется величина, показывающая, какая часть энергии, выделяемой топливом, тепловой двигатель превращает в полезную работу? (КПД)

Вспомните, как найти КПД простого механизма? (Найти отношение полезной работы к затраченной)

Чтобы найти коэффициентом полезного действия теплового двигателя нужно найти отношение совершенной полезной работы (А_п) двигателя, к энергии, полученной от нагревателя (Q₁).

То есть КПД показывает, какая часть энергии, выделяемой топливом, превращается в полезную работу. Чем больше эта часть энергии, тем двигатель экономичнее.

ВОПРОС УЧИТЕЛЯ: Сравните значения Q₁ и Q₂. (Q₁ > Q₂)

ВОПРОС УЧИТЕЛЯ: На сколько Q₁ > Q₂? (на значение А_п)

ВОПРОС УЧИТЕЛЯ: Как можно найти полезную работу? (Q₁ – Q₂)

Значит, А_п = Q₁ – Q₂ и

Сравните значения Q₁ – Q₂ и Q₁. (Q₁ – Q₂ < Q₁)

Что можно сказать о значении дроби (меньше 1)

Значит, КПД всегда меньше 1, а если его выразить в процентах, то меньше 100%.

Задача: Чему равен КПД теплового двигателя, если в полезную работу превращается четверть энергии топлива? (25%) Первые паровые машины имели КПД=0,3%. В последствии Дж. Уатт, усовершенствовав паровую машину, добился повышения КПД до 2,8%.

Устройство двигателя внутреннего сгорания.

На рисунке показан простейший двигатель внутреннего сгорания в разрезе.

Двигатель состоит из цилиндра 1, в котором перемещается поршень 2, соединенный при помощи шатуна 3 с коленчатым валом 4, на котором находится маховик 5.

В верхней части цилиндра имеется два клапана 6 и 7, которые при работе двигателя автоматически открываются и закрываются в нужные моменты. Через клапан 6 в цилиндр поступает горючая смесь, которая воспламеняется с помощью свечи 8, а через клапан 7 выпускаются отработавшие газы.

На каком топливе работают двигатели внутреннего сгорания? (бензине, керосине, нефти или на горючем газе)

ВОПРОС УЧИТЕЛЯ: Из чего состоит горючая смесь, поступающая в цилиндр? (из паров бензина и воздуха)

«Мертвые точки»

Первый такт – ВПУСК.

Второй такт – СЖАТИЕ.

Третий такт – РАБОЧИЙ ХОД.

четвертый такт – ВЫПУСК.

Анимационная модель полного цикла работы двигателя.

Итак, цикл двигателя состоит из следующих четырех процессов (тактов): впуска, сжатия, рабочего хода, выпуска. Поэтому такие двигатели называют четырехтактными.

Анимационная модель работы четырёхцилиндрового двигателя.

В автомобилях используют чаще всего четырехцилиндровые двигатели внутреннего сгорания. Работа цилиндров согласуется так, что в каждом из них поочередно происходит рабочий ход и коленчатый нал все время получает энергию от одного из поршней.

Имеются и восьмицилиндровые двигатели. Многоцилиндровые двигатели в лучшей степени обеспечивают равномерность вращения вала и имеют большую мощность.

Применение тепловых двигателей.Применение тепловых двигателей чрезвычайно разнообразно. Двигатели внутреннего сгорания приводят в движение самолеты, теплоходы, автомобили, тракторы, тепловозы, их устанавливают на речных и морских судах.Паровые и газовые турбины нашли широкое применение на тепловых электростанциях, в качестве судовых двигателей, газовые турбины широко применяются в авиационных двигателях. Реактивные двигатели применяются в авиации, ракетостроении.

Экологические проблемы.С развитием энергетики, автомобильного и других видов транспорта всё более сложной проблемой становится охрана окружающей среды от вредного влияния продуктов сгорания. Это связано с действием различных факторов:

— при сжигании топлива используется кислород из атмосферного воздуха;

— сжигание топлива сопровождается выделением в атмосферу углекислого газа;

— при работе двигатели выбрасывают в атмосферу азотные и серные соединения, а так же свинец.

ПРИМЕР: Один легковой автомобиль поглощает ежегодно из атмосферы в среднем больше 4 т кислорода, выбрасывая с выхлопными газами примерно 800 кг окиси углерода, около 40 кг окислов азота и почти 200 кг различных углеводородов.

Как вы думаете, что нужно сделать для того, чтобы избежать экологических проблем? (посадка лесов и сокращение их вырубки; установка фильтров на двигатели; переход на экологически чистые виды топлива; создание электромобилей или автомобилей, работающих на солнечных батареях и т.д.)

ФИЗКУЛЬТМИНУТКА

3. Контроль знаний

ТЕСТ:

Вопрос №1

Горючая смесь, поступающая в цилиндр двигателя автомобиля, состоит из …

1. различных видов жидкого топлива.

2. распылённого керосина с воздухом.

3. воздуха и паров бензина.

4. масла и бензина.

Вопрос №2

Каким номером обозначен поршень?

2

Вопрос №3

Каким номером обозначен цилиндр?

1

Вопрос №4

Каким номером обозначена свеча?

8

Вопрос №5

Каким номером обозначен маховик?

5

Вопрос №6

Что происходит с горючей смесью и газом, образовавшимися от сгорания этой смеси, при первом такте?

1. Горючая смесь сжимается.

2. Газ, образовавшийся при сгорании горючей смеси, удаляется из цилиндра.

3. Сгорание горючей смеси и расширение газов, получившихся при сгорании.

4. Горючая смесь всасывается в цилиндр.

Вопрос №7

Что происходит с горючей смесью и газом, образовавшимися от сгорания этой смеси, при втором такте?

1. Горючая смесь сжимается.

2. Газ, образовавшийся при сгорании горючей смеси, удаляется из цилиндра.

3. Сгорание горючей смеси и расширение газов, получившихся при сгорании.

4. Горючая смесь всасывается в цилиндр.

Вопрос №8

На каком рисунке изображён рабочий ход?

Вопрос №9

На каком рисунке изображён выпуск?

4. Подведение итогов.

Домашнее задание: §25,26

Открытый повторительно-обобщающий урок по физике в 8 а классе

по теме « Двигатель внутреннего сгорания».

Учитель: Чернышова Лидия Владимировна.

2 декабря 2008 года.

Цели урока:

Повторить принцип действия и назначение тепловых машин на примере двигателя внутреннего сгорания. Рассмотреть историю развития тепловой машины, экологические проблемы и перспективы развития. Формировать умение делать выводы. Развивать любознательность, интерес к предмету.

Основные шаги по подготовке урока:

Выбор темы урока. Разработка этапов урока. Подготовка оборудования и заданий. Работа с докладчиками. Постановка сценки. Подготовка презентации и фильма.

План урока:

Мотивационный этап. Сценка, выход на тему урока. Повторение раннее изученного материала. Включение нового в систему знаний. Доклады учащихся. Закрепление знаний. Самостоятельная работа с последующей самопроверкой. Подведение итогов. Выставление оценок.

Оснащение урока: модель цилиндра двигателя внутреннего сгорания, gрезентация, компьютер, мультимедийная установка, фильм о поисковой работе учащихся, карточки – задания для самостоятельной работы и листы ответов.

Ход урока:

Учитель: Здравствуйте! Сегодняшний урок повторительно-обобщающий. Начнем его со сценки.

Выходят две ученицы, у которых на груди прикреплены плакаты: «Потенциальная энергия» и «Кинетическая энергия». Они спорят, кто важнее. Чтобы примерить их, появляется третья девочка и говорит, что она ученица 8 класса и учит физику. Девочки берутся за руки и ученица объясняет, что потенциальная и кинетическая энергия – два вида механической энергии. Человек придумал тепловые двигатели, в которых внутренняя энергия топлива превращается в механическую энергию. Ученица: «Если вы хотите узнать об этом побольше, я приглашаю вас на наш урок».

Учитель: А теперь сами сформулируйте тему нашего урока.

Ученики называют тему урока: «Двигатель внутреннего сгорания».

Учитель: Цель урока: закрепить материал по данной теме ( На экран спроектирован слайд), развить любознательность и интерес к физике. Заранее группа ребят получили задание: изучить тему урока подробнее и написать доклады. Мы заслушаем их выступления. В конце урока — самостоятельная работа, поэтому внимательно слушайте, запоминайте!

Девизом урока я выбрала слова философа Фирдоуси:

Науку все глубже постигнуть стремись,

Познанием вечного жаждой томись.

Лишь первых познаний блеснет тебе свет,

Узнаешь: предела для знания нет.

Фирдоуси.

(На экран спроектирован слайд с девизом).

Учитель: Начнем с повторения. Из чего состоит модель цилиндра двигателя внутреннего сгорания? Рассмотрим схему работы.

Ученик отвечает у доски.( На экран спроектирован видеофрагмент из диска «Уроки физики» Кирилла и Мефодия 8 класс.

Учитель: Чем вы можете дополнить ответ?

Ученики: Крайние положения поршня в цилиндре называют мертвыми точками. Расстояние, проходимое поршнем от одной мертвой точки до другой, называют ходом поршня. Ход поршня называют еще тактом. Поэтому двигатели называют четырехтактными. В автомобилях используются четырехцилиндровые двигатели внутреннего сгорания.

( На экран спроектирован слайд: Такты двигателя внутреннего сгорания: Впуск.

Сжатие.

Рабочий ход.

Выпуск.)

Учитель: А теперь предоставляю слово докладчикам. Они хорошо подготовились, нашли много интересного материала, который позволит расширить знания по данной теме.

Первый докладчик расскажет об изобретении теплового двигателя.

( На экран спроектирован слайд: «Изобретательство – это такое занятие, которое вопреки всем суровостям и жестокостям жизни спасает и наполняет душу».

И. Кулибин.)

Далее следует рассказ об английском изобретателе Джеймсе Уатте (На экране его портрет) и о его изобретении. Паровая машина Дж. Уатта благодаря экономичности получила широкое

Второй докладчик расскажет о тепловых двигателях. В докладе есть материал о развитии тепловых двигателей. Первый автомобиль появился в 1885 году, в 1900 году их было 6200, в 1972 году – более 250 млн., сейчас их около 900 млн.

(Рассказ сопровождается слайдами).

Учитель: А теперь предоставим слово тем, кто нашел примеры интересных фактов о двигателях внутреннего сгорания.

А знаете ли вы, что КПД в первых конструкциях паровой машины Уатта достигал всего 2,8%. А знаете ли вы, что во время такта рабочий ход при сгорании рабочей смеси давление газов составляет 5-7 МПа, а температура 1500-2200°С. А знаете ли вы, что в современных машинах коленчатый вал может совершать от 3000 до 8000 оборотов в минуту. А знаете ли вы, что кроме двигателя внутреннего сгорания, который работает по четырехтактной схеме, есть и двухтактные двигатели, но они не нашли широкого применения.

·  А знаете ли вы, что генераторный газ — газ, полученный превращением твердого топлива в газообразное. В качестве твердого топлива используются: уголь, торф, древесина.

А знаете ли вы, что немецкий изобретатель Отто, построил в 1878 г. первый четырехтактный двигатель внутреннего сгорания. КПД такого двигателя достигал 22%, что превосходило значения, полученные при использовании двигателей всех предшествующих типов.

Третий докладчик расскажет о КПД тепловых двигателей. КПД теплового двигателя 20-40%.

Это значит, что всего 20% энергии топлива идет на совершение полезной механической работы, а 80% — бесполезные потери энергии. Ученые работают над усовершенствованием двигателей внутреннего сгорания, совершенствуя конструкции, повышая их КПД и предлагая новые виды топлива.

(Рассказ сопровождается слайдами с таблицами).

Четвертый докладчик поднимает вопрос загрязнения двигателями окружающей среды. КПД двигателя внутреннего сгорания, как известно, всего 20%. Значит, 6,4 л. из 8 л. сгорели только для того, чтобы загрязнить атмосферу теплом и газами. Ученые ведут работу, направленную на снижение и ликвидацию последствий загрязнений воздуха. Это всевозможное газоочистное и пылеулавливающее оборудование. Использование тепловых двигателей дает человеку огромные возможности, но в то же время это один из главных факторов в разрушении природы.

(Рассказ сопровождается слайдами с таблицами).

Учитель: Подведем итог.

Ученики кратко пересказывают то новое, что узнали на уроке.

Учитель:Теперь самостоятельная работа.

Ученикам раздаются карточки с заданиями на 2 варианта и лист ответов.

Вариант 1

1. КПД тепловой машины равен 20%. Это означает, что от энергии, выделившейся при полном сгорании топлива,

1) 20% идет на совершение полезной работы;

2) 80% идет на совершение полезной работы;

3) 20% преобразуется во внутреннюю энергию пара;

4) 20% преобразуется во внутреннюю энергию деталей.

2. В двигателе внутреннего сгорания

1) механическая энергия полностью превращается во внутреннюю;

2) внутренняя энергия топлива полностью превращается в механическую;

3) механическая энергия частично превращается во внутреннюю;

4) внутренняя энергия топлива частично превращается в механическую энергию.

3. Какие двигатели из перечисленных ниже называют тепловыми?

A. Двигатель внутреннего сгорания. Б. Паровая турбина.

B. Реактивный двигатель.

1) Только А. 3) Только В.

2) Только Б. 4) А, Б и В

4. В двигателе внутреннего сгорания клапаны закрыты, газы, образовавшиеся при сгорании горючей смеси, давят на поршень и толкают его. Как называется этот такт?

1) Выпуск.

2) Рабочий ход.

3) Впуск.

4) Сжатие.

Вариант 2

1. КПД двигателя внутреннего сгорания равен 40%. Это означает, что от энергии, выделившейся при полном сгорании топлива,

1) 40% идет на совершение полезной работы;

2) 60% идет на совершение полезной работы;

3) 40% преобразуется во внутреннею энергию пара;

4) 40% преобразуется во внутреннюю энергию деталей.

2. В тепловой машине…

1) механическая энергия полностью превращается во внутреннюю энергию;

2) внутренняя энергия топлива полностью превращается в механическую энергию;

3) внутренняя энергия топлива частично превращается в механическую энергию;

4) механическая энергия частично превращается во внутреннюю энергию.

3. Расширяясь, газ может совершить работу и при этом охладиться. В каком из названных ниже двигателей используется это явление?

A. Реактивный двигатель. Б. Паровая машина.

B. Двигатель внутреннего сгорания.

1) Только в А.

2) Только в Б.

3) Только в В.

4) Во всех трех перечисленных двигателях.

4. В двигателе внутреннего сгорания клапаны закрыты, поршень движется, сжимая горючую смесь. Как называется этот такт?

1) Выпуск.

2) Рабочий ход.

3) Впуск.

4) Сжатие.

В то время, когда ученики выполняют задание, гостям предлагается посмотреть фильм о том, как ребята готовились к уроку.

В заключении самопроверка самостоятельной работы и выставление оценок.

Профессиональный конкурс работников образования

ВСЕРОССИЙСКИЙ ИНТЕРНЕТ – КОНКУРС

ПЕДАГОГИЧЕСКОГО ТВОРЧЕСТВА

2012/2013 учебный год

Муниципальное общеобразовательное учреждение

«Средняя общеобразовательная школа № 5 г.Саратова»

Номинация конкурса: «Педагогические идеи и технологии: среднее образование»

Урок физики в 8 классе

«Тепловые двигатели»

Автор: Сергеева Елена Дмитриевна, учитель физики и математики

Место выполнения работы:

МОУ СОШ №5

г. Саратов, ул.Огородняя, д.196

Саратов, 2013Урок – пресс-конференция «Тепловые двигатели»

Физика, 8 класс

Задача урока: закрепление понятия теплового двигателя, видов двигателя, их применение.

Цели:

1. Обобщить и систематизировать изученное на прошлых уроках.

2. Формирование общеучебных навыков: самостоятельная работа с дополнительной литературой, наглядными пособиями, навыки работы с ИКТ.

3. Развитие мыслительной деятельности, умения обобщать, анализировать, систематизировать.

4. Формирование мировоззрения: показать, что источник возникновения тепловых двигателей – реальный мир, что возникли они из реальных потребностей людей.

Форма урока: ролевая игра – пресс-конференция.

Оборудование: наглядные пособия, модель двигателя внутреннего сгорания.

Предварительное задание:

Учащиеся разбиты на группы, каждая группа готовит материал в соответствии со своей ролью.

1. Группа экспертов

• Историки: история создания и развития тепловых двигателей;

• Инженеры-конструкторы: устройство и принцип работы ДВС и паровой турбины;

• Инженеры -механики: практическое применение и разновидности тепловых двигателей;

• Эколог: достоинства, уменьшение экологической опасности.

Роль учителя: правильно распределить учеников по группам- от этого зависит весь урок!, помочь ученикам подобрать материал.

2. Группа журналистов – представляют различные печатные издания (готовят название СМИ, визитки на стол): готовят вопросы на различные темы.

Роль учителя: определить основное направление задаваемых вопросов, отследить, чтобы вопросы касались тематики подготовленных докладов.

ГРУППЫ НЕ ЗНАЮТ НИ СОДЕРЖАНИЯ ВОПРОСОВ, НИ СОДЕРЖАНИЯ ДОКЛАДОВ!

Ход урока:

1. Организационный момент. Роль ведущего выполняет учитель.

— приветствие участников

— представление специалистов.

II. Пресс – конференция. (представлены приблизительные вопросы и ответы участников)

1 вопрос. Расскажите историю развития двигателей.

Ответ. Доклад ученого-историка.

2 вопрос. Нельзя ли подробнее осветить развитие тепловых двигателей.

Ответ. (используются наглядные пособия: плакаты, презентации) Краткая информация о Ползунове, Уайте, Ленуаре, Дизеле.

3 вопрос. Объясните принцип работы двигателя внутреннего сгорания. (модель ДВС, таблицы)

Ответ. (модель ДВС, таблицы)

По модели рассказывают устройство двигателя: цилиндр, поршень, соединенный с валом, два клапана, свеча.

По таблицам рассказывают работу двигателя:

1 такт – впуск. Поршень опускается вниз, при этом в камере создается разреженное пространство, в это время открывается первый клапан и в цилиндр поступает горючая смесь.

2 такт – сжатие. Клапан закрывается. Поршень поднимается вверх, сжимая горючую смесь. В конце такта горючая смесь воспламеняется от электрической искры и сгорает.

3 такт – рабочий ход. Образующиеся при сгорании газы расширяются и толкают при этом поршень. Поршень совершает работу.

4 такт – выпуск. Поршень по инерции поднимается вверх, открывается второй клапан, через который выходят отработанные газы.

В автомобилях используются 4-х цилиндровые двигатели внутреннего сгорания. Цилиндры отрегулированы так, что в них поочередно происходит рабочий ход и вал все время получает энергию от одного из поршней.

4 вопрос. Практическое применение, виды ДВС.

Ответ. (таблицы, презентации)

Суммарная мощность поршневых ДВС (без учета мотоциклов и лодок) в несколько раз превышает мощность всех электростанций страны. ДВС широко используются во всех отраслях народного хозяйства: устанавливаются на тракторах, комбайнах, автомобилях, автобусах, тепловозах, ими оснащены речные и морские суда.

Двигатели классифицируют:

1. по роду топлива (жидкое или газовое)

2. по способу заполнения цилиндра свежим зарядом (двух- и четырехтактные)

3. по схеме смесеобразования

Внешнее

Внутреннее

Карбюраторные двигатели

Дизельные двигатели

Воспламенение горючей смеси происходит от искры

Воспламенение горючей смеси происходит от сильного сжатия

Карбюраторные двигатели просты в обслуживании, но дизели имеют большую мощность и более дешевое топливо.

5 вопрос. Какие еще из тепловых двигателей также часто применимы, как и двигатели внутреннего сгорания?

Ответ. (схема)

Одноступенчатая турбина.

Устройство: вал, диск с прикрепленными лопатками, сопло, через которое поступает пар или газ.

Принцип работы: через сопло поступает горячий пар под большим давлением. Пар давит на лопатки, приводя тем самым диск во вращательное движение, а вместе с ним и вал. Для большей экономической целесообразности применяют многоступенчатые турбины.

6 вопрос. Применение турбинного двигателя, его виды?

Ответ. Турбины делятся:

1. под действием чего вращается диск- вода, пар или газ;

2. по количеству ступеней;

3. по подключению к механизму.

Поиски оптимального варианта привели к созданию комбинированных активных турбин со ступенями скорости. На ступенях происходит понижение температуры, поэтому лопатки ступеней можно делать из более дешевых материалов, что дает экономический выигрыш.

Одноступенчатые турбины очень не эффективны (не экономичны), так как пар уходит с очень большими скоростями.

Газовые турбины работают аналогично паровым; исключением является то, что газовой турбине вместо пара используются продукты сгорания газа. Внедрению газотурбинного двигателя мешало то, что долго не могли создать материалы, способные выдерживать действие газов, нагретых до 1000 °С.

Газотурбинный двигатель с одинаковым успехом может работать на газе и на бензине, дизельном топливе и керосине. Он малотоксичен.

В настоящее время газовые турбины установлены на многих типах самолетов. Их также применяют в металлургии и химии.

7 вопрос. Тепловые двигатели оказывают вредное воздействие на окружающую природу. Не лучше ли отказаться от их использования?

Ответ. (доклад ученика)

Кроме видимых недостатков тепловые двигатели имеют много достоинств: надежность, долговечность, простота обслуживания, возможность длительных перегрузок.

Применение тепловых двигателей

Тепловые станции

свет, тепло, энергия

Транспорт

Облегчение труда человека

Специалистами ведутся работы в области уменьшения вредного воздействия на окружающую среду, уменьшения токсичности, шума.

III. Заключение.

Подведение общего итога. Выставление оценок.

Домашнее задание: письменный отчет о пресс-конференции.

Муниципальное общеобразовательное учреждение «средняя общеобразовательная школа № 6» Новоалександровского района Ставропольского края

Конференция

на тему

«Тепловые двигатели и охрана окружающей среды»

10 класс

Учитель физики высшей

квалификационной категории

Калугина Людмила Борисовна

с. Раздольное 2012 г.

Тема: Тепловые двигатели и охрана окружающей среды.

Цель урока: Сформулировать представление учащихся о тепловых двигателях;

раскрыть физический принцип их действия;

познакомить с нетрадиционными источниками энергии.

В целях политехнического и трудового воспитания дать представление об использовании двигателей в народном хозяйстве.

Выработать умения объяснять принцип действия любого теплового двигателя.

В целях повышения экологической культуры дать представление каждому учащемуся о вреде, наносимом тепловыми двигателями окружающей среде, человеку и животным и мерах по уменьшению или устранению этих загрязнений.

Оборудование: выставка книг, таблицы, чертежи и рисунки детей, медаль ДВС, эмблемы, костюмы.

Ход работы.

1. Основная часть

1. Нестандартное начало урока — стихотворение

2. Вступительное слово учителя

Дорогие друзья! Гости!

Мы начинаем конференцию, посвященную тепловым двигателям и охране окружающей среды. Наша задача сегодня на уроке выяснить принцип действия тепловых двигателей и их влияние на окружающую среду. Это глобальная задача современности. Сегодня один из самых тревожных слов – «экологическая катастрофа». Ежедневно мы слышим предостережения: «Образумьтесь, люди! Будущее Земли в опасности!» «На нас ответственность перед настоящим и будущим!» Но все они так и останутся лишь призывами, благими намерениями, если мы не осознаем главного: человечество стоит на пороге экологической катастрофы. Здесь нет преувеличений. Эта тревога так серьезна, что настоящей проблемой по охране окружающей среды занимаются интенсивно не только экологи, но и химики, физики, биологи, метеорологи. Задача сохранения Земли, пригодной для обитания человека и всех других организмов, не может быть решена без сотрудничества всех стран и всех народов Земли, а так же без повышения экологической культуры каждого человека.

Сальникова Анна, Василенко Инна.

Абакумова Елена, Губарева Людмила, Федорова Екатерина, Криворучко Юлия, Чухиль Вадим.

• Инженеров-конструкторов КБ-2 «Двигатели будущего», работающие над созданием двигателей, использующих нетрадиционные виды энергии: Кучеренко Людмила, Мерзликина Марина, Масалова Наталья, Кучеренко Елена, Евглевская Виктория.

• В нашей конференции принимают также участие химик, биолог, медик, историк, правовед и эколог.

У.С.- Нашу конференцию считаем открытой!

У.С. — Слово предоставляется заведующему музеем «Тепловые двигатели» профессору исторических наук.

Доклад историка «История создания тепловых двигателей»

У.С. — Спасибо!

— Слово предоставляется ведущему специалисту отдела карбюраторных двигателей.

Доклад «ДВС (карбюраторные)»

У.С. — Спасибо! У кого есть замечания?

Биолог – Разрешите мне!

У.С. — Пожалуйста!

— Слово предоставляется биологу

Биолог – Уважаемый, специалист! Вы очень интересно и убедительно рассказали о пользе карбюраторных двигателей, но мне как биологу, позвольте вам возразить.

Доклад «Влияние тепловых двигателей на окружающую природу»

— Что на это можешь мне сказать?

У.С. — Спасибо! Займите свои места.

-Слово для доклада предоставляется инженеру-конструктору дизельных двигателей.

Доклад «Дизель»

У.С. Спасибо большое!

— У кого есть замечания или дополнения по этому вопросу?

Химик – Позвольте мне!

У.С. — Предоставляем слово для выступления химику.

Химик — Я с интересом слушала ваш доклад, но как гражданин России, не могу не познакомить присутствующих со следующими фактами.

Доклад «Химический состав выхлопных газов»

Химик – Над, чем вы сейчас работаете в своем бюро, чтобы снизить вред наносимый природе?

Инженер – Над увеличение КПД двигателей.

У.С. – спасибо вам большое за важные сообщения.

— Следующий доклад прочтет нам заведующий отделом «Паровых и газовых турбин».

Доклад «Паровых и газовых турбин».

Медик – Можно мне слово?

У.С. – Пожалуйста!

— Слово предоставляется ведущему специалисту в области медицины.

У.С. – Уважаемый …! Меня заинтересовал ваш проект. Но я как медик, ратующий за здоровье людей, не могу не сообщить вам о том, что сейчас происходит в мире и у нас в стране со здоровьем людей, подвергающихся воздействию тепловых двигателей.

Доклад «Тепловые двигатели и здоровье человека»

У.С. – Спасибо медикам заботу о нас!

— Кто еще желает выступить?

Инженер – Можно мне!

У.С. – слово предоставляется заведующему КБ «Двигатели будущего»

— Я внимательно слушал выступления моих коллег их КБ-1. Но позвольте и нашему КБ подать свой голос. Мой отдел занимается сейчас разработкой экологически чистых двигателей, работающих на кислороде и водороде.

Доклад «Двигатели, работающие на водороде»

У.С. – Спасибо вам большое за столь приятное сообщение!

— Предлагаю перейти к следующему вопросу «Реактивные двигатели»

— Докладчик – инженер-конструктор.

Доклад «Реактивные двигатели»

У.С. – Прошу докладчиков соблюдать регламент. Спасибо!

— Кто хочет поделиться своими соображениями по этому вопросу?

Инженер — Разрешите?!

У.С. – Слово для доклада предоставляется молодому инженеру, работающему над проблемой использования энергии приливов и отливов…

Доклад «Энергия приливов и отливов»

У.С. – Предлагаю прения по этому вопросу прекратить.

— Переходим к следующему докладу «Паровые машины». Докладчик инженер-конструктор, ветеран труда КБ-1

Инженер — Я расскажу вам о машинах, разработкой и усовершенствованием которых я занимался много лет, но теперь они практически нигде не используются.

Доклад «Паровые машины»

У.С. – Благодарим вас! Кому еще предоставить слово?

Инженер — Если можно мне?

У.С. – Со своим докладом выступит ведущий инженер отдела «Энергия ветра»

— Я также хочу рассказать вам о том, как мы работали над проблемой охраны окружающей среды, создавая свой двигатель.

Доклад «Энергия ветра»

У.С. — Благодарим вас за интересные разработки!

— Слово предоставляется младшему научному сотруднику отдела «Энергия геотермальных вод»

Доклад «Энергия геотермальных вод»

У.С. – Спасибо! Проходите на место.

– На нашей конференции присутствует правовед.

— Предоставляем ему слово! Он познакомит нас с правами и обязанностями граждан по охране окружающей среды.

Доклад «Конституция РФ о правах и обязанностях граждан по охране окружающей среды»

У.С. – Кто еще желает выступить?

Эколог – Если можно, то я бы хотела.

У.С — Просим вас! Слово предоставляется экологу.

Доклад «Мы и экология»

У.С. – Спасибо большое!

— Свои стихи прочтет вас инженер-лирик.

У нас тоже имеются свои таланты.

Стихотворение

У.С. – Спасибо! Этот же инженер расскажет о разработках электродвигателей.

Доклад «Электродвигатели»

У.С. – Благодарим вас! Мы рады вашим достижениям в этой области. Думаем, что разработки КБ-1 «Двигатели будущего» помогут избавить планету от экологической катастрофы.

У.С. – В заключение нашей конференции, мы хотим зачитать рекомендации, выработанные ученым советом по охране окружающей среды:

1. Каждому из вас принимать активное участие в охране окружающей среды и жить по принципу «Если не я, то кто же»

2. Экономьте электроэнергию дома и в школе.

3. Не мойте автомашины и мотоциклы в водоемах.

4. Содержите двигатели автотранспорта в исправности, применяйте топливо данной марки.

5. Применяйте дома аппараты для очистки питьевой воды.

6. Грамотно используйте домашние отходы.

2. Закрепление.

Учитель.

— Дорогие ребята! Вы теперь имеете представление о конференции и приняли в ней участие. В своей взрослой жизни, вы сможете теперь реализовать эти знания. Я думаю, что защита проектов двигателей будущего и настоящего прошла успешно. Я, наверное, выскажу общее мнение: и мое, и ученого совета — поставить оценки «отлично» всем выступающим.

Рефлексия

– Мне понравилось на уроке…
– Мне не понравилось…
– Я бы изменил следующее…

Домашнее задание

Составить кроссворды, ребусы по теме «Тепловые двигатели»

КПД тепловой машины — Энциклопедия по машиностроению XXL

Французский инженер Сади Карно (1796—1832) в 1824 г. установил чрезвычайно важную для практики зависимость КПД тепловой машины от температуры Г, нагревателя и температуры Тч холодильника независимо от конструкции и выбора рабочего тела максимальное значение КПД тепловой машины определяется выражением  [c.104]

Следовательно, основной путь повышения КПД тепловых машин — это повышение температуры нагревателя.  [c.104]

Определите максимальный КПД тепловой машины, если температура нагревателя равна 227 °С, а температура холодильника — 27 С.  [c.122]

Максимальный КПД тепловой машины определяется выражением  [c.123]

Вычислите максимальное значение КПД тепловой машины с температурой нагревателя 427 С и температурой холодильника 27 °С.  [c.126]

КПД тепловой машины 103 Кристаллическая решетка 90 Кристаллические тела 88 Критическая масса 330  [c.361]

Открытие второго начала связано с анализом работы тепловых машин, чем и определяется его исходная формулировка. Впервые работа тепловых машин была теоретически рассмотрена в 1824 г. Сади Карно, который в своем исследовании Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эти силы , доказал, что КПД тепловых машин, работающих по предложенному им циклу (циклу Карно), не зависит от природы вещества, совершающего этот цикл. Позднее Клаузиус и В. Томсон, по-новому обосновывая эту теорему Кар но, почти одновременно положили основание тому, что теперь входит в содержание второго начала.  [c.40]

Теорема Карно указывает путь повышения КПД тепловых машин. Она сыграла руководящую роль в развитии основ теплотехники. Хотя 1НИ одна применяемая в технике тепловая машина не работает по циклу Карно, значение этого цикла состоит в том, что oiH имеет наибольший КПД по сравнению с циклами, работающими в тех же температурных пределах, и является мерой КПД всех других циклов ( ).  [c.69]

К нагревателю (обратный К. ц.). Анализируя К. ц., можно доказать Карно теорему о макс. кпд тепловых машин, Г[ T. —T jTl, это доказательство используют для формулировки второго начала термодинамики.  [c.243]

По определению КПД тепловой машины, работающей по произвольному циклу, равен  [c.73]

Эффективный КПД тепловой машины, представляющий отношение ее полезной работы к количеству подведенной с топливом теплоты, равен  [c.258]

Именно это обстоятельство в сочетании со вторым законом термодинамики позволяет утверждать, что (16) представляет собой максимально возможный КПД тепловой машины.  [c.25]

Используя в качестве рабочего тела неразбавленные продукты сгорания (с максимальной эксергией), ДВС имеют самый высокий из всех тепловых машин КПД. Однако инерционные силы, связанные с возвратно-поступательным движением поршня, возрастают с увеличением как размеров цилиндра, так и частоты вращения вала, что затрудняет создание ДВС большой мощности. Большим их недостатком являются и высокие требования к качеству потребляемого топлива (жидкого или газа),  [c.59]

Рабочий цикл тепловой машины и ее КПД. В результате совершения рабочего цикла газ возвращается в начальное состояние, его внутренняя энергия принимает первоначальное значение. Следовательно, за цикл изменение внутренней энергии рабочего тела равно нулю  [c.103]

Любая реальная тепловая машина может иметь КПД, не превышающий это максимальное значение  [c.104]

Температура пара, применяемого в современных паротурбинных установках, не превышает 580 С (температура нагревателя Г, = 853 К), а температура пара на выходе из турбины обычно не ниже 30 °С (температура холодильника Гг = 303 К) поэтому максимальное значение КПД паротурбинной установки как тепловой машины равно  [c.108]

Тепловая машина за цикл совершает работу 500 Дж и получает от нагревателя количество теплоты 1500 Дж. Вычислите КПД машины.  [c.126]

Тепловая машина с КПД 25% получает от нагревателя 800 Дж. Какую полезную работу она совершает  [c.126]

Тепловая машина получает за цикл от нагревателя 800 Дж и отдает холодильнику 600 Дж. Вычислите КПД машины.  [c.126]

Это положение непосредственно вытекает из сопоставления выражения КПД обратимых тепловых машин с математическим выражением принципа исключения вечного двигателя второго рода (т [c.54]

КПД термогенераторов пока составляет в лучшем случае 8 %. При температурах порядка 1000—1100 К можно ожидать, что КПД составит 15 %. Если учесть, что наиболее совершенные тепловые электростанции имеют КПД 40—50 %, то станет ясным, что термоэлементы из твердых полупроводников не могут быть использованы в большой энергетике . Однако по мере упрощения технологии, уменьшения размеров термобатарей и их стоимости будет расти использование термоэлектрических генераторов в малой энергетике и в устройствах утилизации тепловых отходов высокотемпературных тепловых машин.  [c.580]

Как известно, термический КПД любого цикла тепловой машины определяется выражением (1.121). Удельное количество теплоты  [c.63]

Сади Карно предложил цикл тепловой машины, который имеет максимальный термический КПД при заданной разнице температур между  [c.47]

Как известно, термический КПД любого цикла тепловой машины определяется выражением (58). Если — текущая температура процессов, в которых отводится теплота, а Г, — текущая температура процессов, в которых подводится теплота, то  [c.306]

За прошедшие 60 лет отмечены следующие существенные отклонения от прогноза Н. А. Умова началась и быстро проходит эпоха нефти и природного газа, наступила и еще долго продлится эра атомной энергии (рис. 1.1), передвинулся на отметку примерно 40% предел повышения КПД тепловых двигателей (рис. 1.2) при этом поршневые паровые машины окончательно вытеснены турбинами и двигателями внутреннего сгорания. Однако постоянно возобновляющиеся энергоресурсы (ветер, приливы и отливы, волны, солнечное излучение, тепло недр Земли), как и прежде практически почти не используются.  [c.11]

Какой должна быть температура нагревателя, для того чтобы стало возможным достинсение максимального значения КПД тепловой машины 80% при температуре холодильника 300 К  [c.126]

В первом сочинении по термодинамике, онубликованном С. Карно в 1824 г., была поставлена и решена проблема возможного повышения коэффициента полезного действия тепловых двигателей. Относительно КПД тепловых машин Карно установил две теоремы, которые ровместно эквивалентны второму началу термодинамики. Докажем эти теоремы, исходя из второго начала.  [c.66]

У тепловых машин фактор энергопотребления отодвигает на заднцй план стоимость машины, а иногда и расходы на труд. Есть машины, у которых расход энергии незначителен вследствие высокого КПД (электрогенераторы, редукторы и т. п.). Если к тому же невелик и расход на оплату труда, то стоимость машины приобретает доминирующее зна-ченйе.  [c.15]

Анализ особенностей тепловых процессов, выполненный Р. Клаузиусом, был далеко не очевиден, но логически безупречен. Обратив внимание на то, что формулировка второго закона термодинамики носит качественный характер, он задался целью найти его математическую форму. Он считал необходимым связать второй закон с некоторой характерной физической величиной, аналогично тому, как первый закон оказался связанным с существова1шем энергии, явился законом ее сохранения и превращения. Максимальный КПД идеальной тепловой машины, как впервые показал С. Карно, определяется соотношением  [c.81]

Термический КПД цнкла Карно при изогермич . ских источниках имеет макси.мальное значение в заданном интервале температур по сравнению с другими циклами и, следовательно, является эталоном, с которым сравнивают циклы существующих тепловых машин. Реальный тепловой двигатель тем совершеннее, чем ближе значение его КПД к КПД цикла Карно в том же интервале температур.  [c.49]

Анализ соотношений (1.78) и (1.79) показывает, что термический КПД теплового двигателя и коэффициент холодопроизводи-тельности зависят только от соотношения абсолютных температур. Чем больше различие в абсолютных температурах, тем выше эффективность работы тепловой машины. Из выражения (1.78) следует также, что термический КПД двигателя, работающего по циклу Карно, всегда меньше единицы. Он обращается в единицу только в двух практически недостижимых случаях при Т, = и = 0. При равенстве Т, = КПД двигателя обращается в нуль. Это значит, что для работы теплового двигателя необходимо наличие разности температур Т, и Т . В тепловых двигателях в качестве наивысшей температуры Т цикла обычно понимается температура сгорания рабочей смеси, а в качестве низшей температуры — температура окружающей среды.  [c.46]

КПД всякого необратимого теплового двигателя и холодопро-изводительность необратимой холодильной машины, осуществляющих процессы при заданных температурах (Т, > Т ), всегда меньше соответственно КПД и холодопроизводительности обратимой тепловой машины (т1 [c.54]

Исследование термодинамических циклов тепловых машин является основной задачей технической термодинамики. Однако провести подробное исследование цикла, установить его основные характеристики (работу, КПД) при изменении отдельных параметров на реальной установке можно лишь в ограниченных пределах. Поэтому при исследовании циклов энергетических установок вместо натурных испытаний целесообразно использовать различные модели. Модели бывают разные в зависимости от модели различают предметное, физичеекое, аналоговое и математическое моделирование.  [c.238]

Сравним формулы (1.290) и (1.124) они идентичны. Следовательно, формз -ла (1.290) определяет термический КПД некоторого эквивалентного цикла Карно, равный термическому КПД исследуемого цикла. Таким образом, любой цикл тепловой машины может быть заменен эквивалентным циклом Карно с температурами и Tj p. При наличии лГ-диаграммы среднепланиметрическая температура может быть определена планиметрированием площад й треугольников (рис. 1.33, а). Средняя тем-  [c.64]

Для пояснения этого важного выводя рассмотрим пзолировапиую систему, в которой имеются три источника теплоты с темнературам1Г Т, > Т > Т.2 (рис. 17). Эти источники теплоты можно использовать для получения работы в тепловых машинах-двигателях, работающих по циклам Карно. Допустим, что одна машина работает но циклу Карно с источниками теплоты, имеющи.ми температуры Tj и и совершает работу /ц с КПД никла Л( = I — T Ti. Другая машина работает ио циклу Карио с источниками теплоты, имеющими температуры Т и T a, и совершает работу /ц с КПД цикла г , = 1 — TJT. Одновременно с работой машин теплота от источника с температурой Т > Т  [c.58]

Универсальная тепловая машина стирлинг . Была запатентована Р. Стирлингом в 1816 г., но оценена должным образом только в последние десятилетия. Эта машина простым переводом управляющего устройства может быть переключена на работу ДВшС, холодильной машины и теплового насоса. Ее показатели как ДВшС выше показателей всех других ДВшС, а в ряде случаев и ДВС (табл. 7.1). Поскольку стирлинг нуждается в охлаждении, его показатели повышаются в условиях применения па морских аппаратах. Теоретический цикл стирлинга — регенеративный цикл Карно. Максимальная температура цикла 600—700° С, максимальное давление 100—200 бар, i- ,k = 70%, г) = 35—45%, КПД регенератора — 95—98%.  [c.143]

Эти достоинства эксергии сделали ее чрезвычайно модной в последние годы. Однако не все отдают себе отчет в том, что эксергетический метод расчета позволяет учесть потери лишь из-за необратимости процессов, в чем не всегда есть необходимость. Так, совершенно разные по конфигурации и эффективности теоретические, обратимые циклы тепловых машин и идеальный цикл Карно имеют одинаковый эксергетический КПД, равный 100%. При использовании же тепла для технологических нужд (выпарки, плавки металла и т. д.) запас работоспособности тепл01Н0сителя — эксергия не имеет прямого значения.  [c.161]

Способ повышения КПД тепловой электростанции

В. А. Федотов, инженер, г. Москва

Предлагается инновационный способ снижения потерь на тепловых, атомных и комбинированных газотурбинных электростанциях, использующих конденсационный цикл выработки тепловой и электрической энергии (так называемый, цикл Карно).

Данной статьёй хотелось привлечь внимание специалистов, работающих в области термодинамики и электроэнергетики, и получить подтверждение в пользу предлагаемого предложения или аргументированное опровержение.

Утверждения и расчёты в дальнейшем будут ссылаться на классическую работу [1]. Её автор, М.П. Вукалович, был создателем первой термодинамической лаборатории и экспериментально исследовал теплофизические свойства, в частности, воды и водяного пара. К сожалению, автору пришлось столкнуться со специалистами, которые абсолютно не знают школьную программу по физике, поэтому в статье иногда даются ссылки и на школьную литературу [2].

Классический цикл выработки электроэнергии на тепловых электростанциях происходит либо по так называемому циклу Карно (без промежуточного перегрева пара), либо, чаще всего, по циклу Ренкина с промежуточным перегревом пара по следующей схеме (рис. 1).

Рисунок 1. Принципиальная схема выработки электроэнергии на ТЭЦ.

Вода питательным насосом (далее – ПН) с давлением Р₁ и температурой Т₁, подаётся в паровой котёл (далее – ПК). Давление в российских энергоустановках на входе в ПК обычно составляет 3,4, 8,8, 12,75 и 23,5 МПа или, соответственно, 35, 90, 130, 240 кг/см². Данные величины являются стандартными.

В ПК вода нагревается (подводится тепло Q₁) и испаряется (подводится тепло (Q₂), насыщенный водяной пар направляется в пароперегреватель (далее – ПП), где пар перегревается до температуры Т₂ около 545 ^оС (подводится тепло Q₃). Перегретый пар направляется в турбину, конкретно, в цилиндр высокого давления (ЦВД), после чего отработавший пар с температурой выше температуры насыщения и при уменьшенном давлении направляется в промежуточный пароперегреватель (ПП₁). В ПП₁ пар снова нагревается до температуры ~ 545 ^оС (подводится тепло Q₄) и направляется на следующую ступень турбины: цилиндр среднего давления (ЦСД). Отработанный в ЦСД пар с температурой выше температуры насыщения при ещё более низком давлении направляется во вторую ступень ПП – промежуточный пароперегреватель ПП₂, где снова происходит его перегрев до температуры ~ 540 ^оС (подводится тепло Q₅) и он направляется на следующие ступени турбины – цилиндры низкого давления (ЦНД). Цилиндров низкого давления обычно бывает от 2 до 6 в зависимости от мощности установок.

Промежуточный перегрев пара позволяет увеличить среднюю температуру подвода тепловой энергии и процесс расширения пара в турбине заканчивается при более высокой степени сухости пара, поэтому условия работы проточной части турбины оказываются более лёгкими.

Отработавший в турбине пар с давлением Р₂ от 1,7 до 4,2 кПа, температурой Т₃ от 15 до 30 ^оС (параметры соответствуют правой границе насыщения [4]), удельным объёмом V_п от 77,97 до 32,93 м³/кг и теплотой конденсации r от 2465 до 2430 кДж/кг [3] (в дальнейшем эти значения понадобятся для расчётов), направляется в конденсатор (К), где полностью конденсируется, переходя в жидкую фазу и отдавая теплоту конденсации r охлаждающей воде (тепло Q₆). На 1 кг пара приходится от 50 до 80 кг охлаждающей воды, следовательно, в конденсаторе безвозвратно теряется до 45% тепла, подведённого в цикле.

Конденсатный насос (КН) располагается на расстоянии порядка 2 м от конденсатора. КН откачивает воду из конденсатора, которая направляется в деаэратор с давлением до 1,4-1,5 МПа (при этом температура кипения составляет 196-198 ^оС), а затем цикл повторяется, при этом Т₁ практически равна Т₃.

Очевидно, что реальная схема технологического процесса выработки электроэнергии более сложная, в статье приводится принцип действия только основного оборудования.

Согласно законам физики, чем выше давление, тем выше температура кипения воды. Вода – практически несжимаемая жидкость, поэтому затраты энергии на увеличение давления незначительны, оборудование достаточно компактно.

Недостатком данного цикла является безвозвратные потери тепловой энергии в конденсаторе, которые составляют до 45%.

График рассматриваемого цикла в Ts координатах показан на рис. 2.

Рисунок 2. Процесс выработки электроэнергии на ТЭЦ в Тs диаграмме воды и водяного пара (ц. Ренкина).

Здесь: 1 – 2. Увеличение давления воды ПН до рабочего. Расстояние между т. 1 и 2 очень мало из-за несжимаемости воды, они практически совпадают. На диаграмме расстояние между точками специально увеличено, чтобы показать, что такой процесс есть.

2 – 3. Нагрев воды до температуры кипения при рабочем давлении в ПК. Подвод тепла Q₁, температура кипения воды зависит от рабочего давления.

3 – 4. Испарение воды в ПК, зона насыщенного водяного пара, процесс кипения. Подвод тепла Q₂. Точка 34 показывает на диаграмме точку перехода воды в пар без процесса кипения воды, для прямоточных блоков, работающих на закритическом давлении P_k = 22,1145 МПа.

4 – 5. Перегрев сухого пара в ПП. Подвод тепла Q₃ (процесс 34 – 5 показывает перегрев сухого пара для прямоточных блоков).

5 – 6. Работа пара в ЦВД турбины. Уменьшение давления и температуры пара выше температуры насыщения.

6 – 7. Перегрев сухого пара в ПП₁. Подвод тепла Q₄.

7 – 8. Работа пара в ЦСД. Уменьшение давления и температуры пара выше температуры насыщения.

8 – 9. Перегрев сухого пара в ПП₂. Подвод тепла Q₅.

9 – 10. Работа пара в ЦНД турбины. Уменьшение давления и температуры пара до температуры насыщения.

10 – 1. Конденсация пара в конденсаторе, переход в жидкую фазу. Отвод тепла Q₆ = r. Безвозвратные потери тепла с охлаждающей водой, отдающей тепло в атмосферу.

Работа, которую можно получить в цикле, пропорциональна площади фигуры, ограниченной линиями 1 – 2 – 3 – 4 – 5 – 6 – 7 – 8 – 9 – 10 – 1.

Целью предлагаемого технического решения является существенное увеличение КПД цикла производства электроэнергии путём существенного снижения безвозвратно теряемого тепла, уходящего с охлаждающей водой в конденсаторе, заменив часть существующих циклов на новый.

Установлено, в частности, что насыщенный водяной пар начинает конденсироваться, если незначительно увеличить его давление выше давления насыщения. В этом случае перенасыщенный пар переходит в жидкую фазу ([1], с. 215, 256-257; [2], с. 194-196).

Для реализации предлагаемого решения предлагается сначала осуществлять тепловой цикл по классической схеме на действующем оборудовании с существующими параметрами до т. 10 (рис. 2). В конденсаторе же предлагается при выходе на рабочие параметры увеличить давление пара выше давления насыщения, при этом одновременно плавно уменьшить расход охлаждающей воды и совсем прекратить её циркуляцию. Процесс конденсации пара за счёт охлаждающей воды сначала прекратится, однако при достижении давления Р₂, незначительно превышающем давление насыщения при рабочей температуре, процесс конденсации пара возобновится ([1], с. 235, 254; [2], с. 194-196). Желательно также ионизировать пар на входе в конденсатор.

Параметры отработанного пара на выходе из турбины будут составлять: Р₂ – от 1,7 до 4,2 кПа, температура Т₃ – от 15 до 30 ^оС и теплота конденсации r – от 2465 до 2430 кДж/кг.

Уже известна достаточно простая техническая реализация увеличения давления только в конденсаторе свыше давления насыщения пара, пропускная способность составляет несколько тысяч кубометров в секунду, с неизменным давлением на выходе из турбины.

Избыточное давление, которое необходимо создать в конденсаторе можно определить по [4] (таблица).

Таблица. Часть термодинамической таблицы свойств воды и водяного пара в состоянии насыщения [4].

Из таблицы видно, что необходимое избыточное давление составит менее 0,25 кПа.

Процесс конденсации будет саморегулируемым. Насыщенный водяной пар испаряется и конденсируется при постоянной температуре и давлении T = const и P = const ([2], с. 194-196; [1], с. 212, 247). Процесс саморегулируемый.

Потери тепла в конденсаторе с охлаждающей водой не будет (циркуляция охлаждающей воды через конденсатор прекращена), следовательно, теплота останется в цикле.

Термодинамические аспекты предложения вытекают из математического доказательства Ларса Онзагера – нобелевского лауреата, основоположника четвёртого начала термодинамики, изложенного в работе «Термодинамика фазовых переходов» и позднее экспериментально подтверждённого тем фактом, что удельная теплоёмкость компонентов при фазовых переходах стремится к бесконечности. Это означает, что удельной теплоёмкости конденсата при фазовом переходе будет достаточно чтобы кинетическая энергия пара перешла во внутреннюю энергию без увеличения температуры. Аналогичное доказательство приводится в [1], с. 238.

С точки зрения статической термодинамики должно сконденсироваться такое количество пара, скрытой теплоты конденсации/парообразования которого хватит для нагрева конденсата до температуры выше температуры насыщения и начала испарения при новом давлении, что направит процесс в обратную сторону. Однако процесс не статический и рассматривать его необходимо с точки зрения кинетической физики.

При изобаро-изотермическом фазовом переходе первого рода (которым является процесс конденсации/парообразования) свободная энергия Гиббса минимальна, а её изменение равно нулю. Это означает что вся энергия тела (конденсата) идёт на изменение его агрегатного состояния и скачкообразное изменение физических параметров, например, плотность увеличивается от 30 тыс. раз и более, удельная теплоёмкость увеличивается практически в 2 раза (см. [1] с. 108-150). Время релаксации физических параметров тела (время, через которое физические параметры будут соответствовать эмпирическим значениям) можно определить по формуле: Т_сек = L₂ / x, где Т_сек – время релаксации, с; L – площадь, м²; х – коэффициент температуропроводности, для воды х = 0,143∙10^-6 м²/с.

Если предположить, что зародышевый центр конденсации (капля конденсата) имеет форму шара радиусом 1 мм (0,001 м), то его площадь: L = 4∙π∙R₂ = 1,56 ∙10^-6 м², а Т_сек = 12.5∙10^-6 м² / 0,143∙10^-6 м²/с = 87,8 с.

Если конденсат пройдёт через ПН, создающий рабочее давление на входе ПК, ранее времени релаксации, то повышение температуры и частичное испарение питательной воды начнётся на входе или в паровом котле. Если процесс релаксации произойдёт до ПН, то процесс невозможен. Однако, можно предусмотреть расположение ПН как можно ближе к деаэратору или ряд других технологических решений, позволяющих осуществить предлагаемый цикл.

В ПК на нагрев и испарение воды понадобится значительно меньше тепловой энергии, чем в классическом цикле, это и позволяет существенно повысить КПД предлагаемого цикла.

Рассмотрим предлагаемый цикл в Ts координатах (рис. 3).

Рисунок 3. Предлагаемый процесс выработки электроэнергии с увеличением давления в конденсаторе.

Как уже сказано выше, вначале необходимо запустить вышеописанный классический цикл. При переходе на предлагаемый цикл процесс полностью повторится до точки 10, а далее пойдёт по следующим точкам:

10 – 11. Незначительное увеличение давления выше давления насыщения.

11 – 12. Фазовый переход от парообразного состояния в жидкую фазу (т. 1 и 12 практически полностью совпадут из-за несжимаемости воды), отвода тепла Q₆ = r не будет.

12 – 2. Увеличение давления воды ПН до рабочего (расстояние между точками 1, 12 и 2 очень мало из-за несжимаемости воды – они практически совпадают). 2 – 3. Нагрев воды до температуры кипения при рабочем давлении в ПК. Подвод тепла Q₁ не нужен, так как внутренняя энергия конденсата Т₃₂>> Т₁ (расчёт приведён ниже), температура кипения воды зависит от рабочего давления.

3 – 44. Частичное испарение воды в ПК, зона насыщенного водяного пара, подвод тепла Q₂ до т. 44 не нужен, так как внутренняя энергия конденсата Т₃₂>> Т₁ (расчёт – ниже).

44 – 4. Полное испарение воды в ПК, зона насыщенного водяного пара, процесс кипения. Подвод тепла Q₂₂ << Q₂ (расчёт – ниже). Точка 34 показывает на диаграмме точку перехода воды в пар без процесса кипения воды, для прямоточных блоков, работающих на закритическом давлении.

4 – 5. Перегрев сухого пара в ПП. Подвод тепла Q₃, 34 – 5. Перегрев сухого пара для прямоточных блоков.

5 – 6. Работа пара в ЦВД турбины. Уменьшение давления и температуры пара выше температуры насыщения.

6 – 7. Перегрев сухого пара в ПП₁. Подвод тепла Q₄.

7 – 8. Работа пара в ЦСД турбины. Уменьшение давления и температуры пара выше температуры насыщения.

8 – 9. Перегрев сухого пара в ПП₂. Подвод тепла Q₅.

9 – 10. Работа пара в ЦНД турбины. Уменьшение давления и температуры пара до температуры насыщения.

10 – 11. Незначительное увеличение давления выше давления насыщения (на диаграмме расстояние между точками специально увеличено, чтобы показать, что такой процесс есть). Далее цикл вновь повторяется.

Область, ограниченная линиями 12 (1) – 2 – 3 – 44 – 4 – 5 – 6 – 7 – 8 – 9 – 10 – 11 – 12 (1), практически полностью совпадает с классическим циклом, значит количество совершённой паром работы будет таким же.

Область, ограниченная линиями 1 – 12 – 11 – 10 – 1, пропорциональна работе, которую необходимо затратить на фазовый переход пара в воду, безвозвратно потерянная энергия. Механическая работа и теплота взаимно преобразуемы, разные формы одной энергии, единица измерения одна – Джоуль ([1], с. 8-9).

«Энтальпия I является однозначной функцией состояния системы» ([1], с. 38). «Энтропия S является однозначной функцией состояния системы» ([1], с. 78).

Максимальная механическая работа, которую можно получить в обратимом (циклическом) тепловом процессе: L _0макс = I1 – I2 –T’ * (S₁ – S₂) = L _{расширения} ([1], с. 91, 110) не зависит от пути, по которому проходил процесс ([1], с. 444), так как энтальпия и энтропия не зависят от пути процесса, а только от начального и конечного состояния рабочего тела.

Полезная механическая работа, которую можно получить в обратимом (циклическом) тепловом процессе, всегда будет меньше на величину работы сжатия рабочего тела: L _{полезная} = L _{расширения} – L _сжатия ([1], с. 59).

Механическая работа сжатия: L = P ∙dV ([1], с. 20).

Работу по преодолению сил поверхностного натяжения можно не учитывать так как она будет очень незначительна, следовательно, КПД цикла: η = L _{полезная} / L _{расширения} = (L _{расширения} – L _сжатия) / L _{расширения}.

Пример расчёта предлагаемого цикла для 1 кг пара.

Процесс происходит при постоянной температуре t от 15 до 30 ^оС; давление насыщения пара, Р: от 1,7 до 4,2 кПа. При этом:

— удельный объём пара: V_п: от 77,97 до 32,93 м³/кг;

— удельный объём воды (конденсата), V_в: от 0,001 до 0,001 м³/кг;

— удельная теплота конденсации, r: от 2465 до 2430 кДж/кг;

Работа, которую необходимо совершить для фазового перехода пар – конденсат – это – безвозвратно теряемая работа: А = P ∙ dV = P ∙ (V_в – V_п).

А = 1,7 ∙ (0,001 – 77,97) = – 133 кДж/кг;

А = 4,2 ∙ (0,001 – 32,93) = – 138 кДж/кг.

Теплота, оставшаяся в цикле:

Q_ц = r – А = 2465 – 133 = 2332 кДж/кг;

Q_ц= r – А = 2430 – 138 = 2292 кДж/кг.

Теплота, теряемая в конденсаторе классического цикла r, составляет ~ 45%, в предлагаемом цикле теряемая работа А ~ 2,5%.

Таким образом КПД предлагаемого цикла будет ~ на 42,5 % (45% — 2,5%) выше классического цикла.

Дополнительно ниже приводится расчёт для т. 44 для давления Р₁ = 3,4 МПа (так как для более высокого давления температура кипения воды будет выше) и температуры отработанного пара t = 30 ^оС.

— температура кипения воды при данном давлении: Т_к = 241 ^оС;

— теплота парообразования: Q₂ = Q_п = 1759 кДж/кг;

— теплоёмкость воды средняя: С_в = 4,2 кДж/(кг∙К).

Теплота, необходимая на нагрев 1 кг воды до температуры кипения: Q₁ = C_в ∙ (Т_к – Т₁) = 4,2 ∙(241 – 30) = 886 кДж/кг.

При этом Q₁ подводить не надо, так как хватит теплоты, оставшейся в цикле (Т₃₂ будет соответствовать Т_к)

Теплота, оставшаяся в цикле Q_ц = 2292 кДж/кг; теплота, оставшаяся для частичного испарения (Q_и = Q_ц – Q₁) соответствует т. 44 на Ts диаграмме: Q_и = 2292 – 886 = 1406 кДж/кг.

Теплота, необходимая для полного испарения 1 кг воды в предлагаемом цикле: Q₂₂ = Q_п – Q_и = 1759 – 1406 = 353 кДж/кг; следовательно, Q₂₂ = 353 кДж/кг << Q₂ = 1759 кДж/кг.

Оставшееся тепло Q₃, Q₄, Q₅, необходимое на перегрев пара, подводится также, как и в классическом цикле.

Из приведённых расчётов видно, что в классическом цикле в конденсаторе безвозвратно теряется теплота конденсации r от –2465 кДж/кг до –2430 кДж/кг, что составляет около 45% безвозвратных потерь.

В предлагаемом цикле безвозвратные потери А (работа по сжатию рабочего тела L_сжатия) от –133 кДж/кг до –138 кДж/кг, значительно меньше и составляет примерно от 2,4 до 2,6% (~ 0,025) безвозвратных потерь, так как процесс протекает при очень низком давлении в конденсаторе, практически в вакууме, который был предварительно создан в классическом цикле.

Если принять L_{расширения} = 1 (при достигнутых параметрах I и S) то L_сжатия составит 0,025. Тогда КПД цикла составит:

η = (1 – 0,025) / 1 = 0,975 (97,5%) < 1.

Таким образом, предлагаемый цикл увеличивает КПД электростанции на 42,5%.

Вывод.

Существует много трактовок второго начала термодинамики ([1], с. 56-99) и «этот великий принцип природы далеко ещё не познан и, следовательно, история второго начала термодинамики отнюдь ещё не завершена» ([1], с. 97). Однако все сходятся к тому выводу, что нельзя тепловую энергию полностью преобразовать в механическую без потерь ([1], с. 58), «вечный двигатель второго рода» невозможен, КПД теплового двигателя должен быть меньше единицы (меньше 100%) ([1], с. 57) и т.д.

Может возникнуть вопрос, а как же термический КПД?

Для ответа на него нужно вспомнить исходную формулировку теоремы Карно, которая дошла до наших дней из всего одной его работы (все остальные рукописи были сожжены): «Термическим КПД обратимого цикла называется отношение произведённой осуществляющим этот цикл двигателем полезной внешней работы L’ к количеству тепла Q₁, отданного теплоотдатчиком: η_t = L’ / Q₁» ([1], с. 62).

Температуры в исходной формулировке не фигурируют, а являются производными для цикла с отбором скрытой теплоты конденсации.

Полученный КПД – самый высокий среди известных иных двигателей ([1], с. 376-424), в 1824 г. Карно математически доказал, что КПД обратимого теплового двигателя является верхним пределом эффективности действия двигателя вообще ([1], с. 95). И, хотя Карно не знал, какие двигатели придумает человечество, но оказался прав!

Цикл не противоречит с первым началом термодинамики, так как тепло подводится, нет противоречий и со вторым началом, так как часть энергии безвозвратно теряется при преобразовании тепловой энергии в механическую и КПД < 1, не противоречит и третьему началу, так как температуры абсолютного нуля не достигаются, и, конечно же проходит в соответствии с четвёртым началом термодинамики.

Прежде чем переходить на новый цикл, необходимо предварительно рассчитать тепловой баланс парового котла, исходя из повышенной температуры воды на его входе, особенно для прямоточных блоков и АЭС. При этом переводить на предлагаемый цикл только по одной турбине, следующую турбину переводить на цикл можно только после завершения переходного процесса предыдущей. При расчёте передаточной функции, воздействующей на уменьшение подачи топлива в ПК, обязательно учитывать транспортную задержку. Выполнение этих требований позволит обеспечить производительную и безаварийную работу электростанции.

Предполагаемый цикл уменьшает расход топлива практически в 2 раза, следовательно, на столько же будет меньше выброс продуктов сгорания и обогрев атмосферы, что благоприятно повлияет на экологию и климат. На АЭС будет практически в 2 раза меньше радиоактивных отходов.

Литература

1. Вукалович М.П., Новиков И.И. Техническая термодинамика. Издание 4-е. Издательство «ЭНЕРГИЯ», Москва 1968 г.

2. Физика. 10 класс: учеб. для общеобразоват. учреждений: базовый и профил. уровни / Г.Я. Мякишев, Б.Б. Буховцев, Н.Н. Сотский; под ред. В.И. Николаева, Н А. Парфентьевой. – 19-е изд. – М.: Просвещение, 2010. – 366 с.: ил.

3. Диаграмма Ts для воды и водяного пара.

4. Вукалович М.П. Теплофизические свойства воды и водяного пара. – М.: Машиностроение, 1967. – 159 с.

Физика Перышкин 8класс ГДЗ – Рамблер/класс

Привет, вот что нашлось  закромах Родины:
1 В тепловых двигателях только часть энергии топлива превращается в механическую энергию, поскольку значительная часть внутренней энергии тратится на тепловые потери, теряется в окружающем пространстве.
2. КПД теплового двигателя – величина, равная отношению совершенной полезной работы двигателя к энергии, полученной от нагревателя

 
где Ап — полезная работа, Q1 — количество теп­лоты, полученное от нагревателя, Q2 количество — теплоты, отданное холодильнику, (Q1 — Q2) — количество теплоты, которое пошло на совершение работы.
3. Поскольку Q2 — количество теплоты, отданное двигателю и другим окружающим предметам, всегда значительно больше нуля, КПД не может быть ни равно 100%, ни больше 100%.
4. Поскольку поршень движется вниз и маховик движется в первой половине оборота, значит изображен первый такт работы — впуск горючей смеси двигателя внутреннего сгорания.
Доклад
Использование энергии Солнца на Земле
Энергия Солнца имеет огромное значение для всего живого на нашей планете, для растений, животных, человека, как биологического вида, так и для применения в разных областях нау­ки и техники. За счет солнечной энергии средняя годовая температура на Земле около 15°С. Мощность солнечного излучения, падающего на земную поверхность, так велика, что для ее замены по­требовалось бы примерно 30 миллионов мощных электростанций. Великий непрерывный круговорот воды в природе совершается за счет энергии солнца: вода морей, озер и рек испаряется, пар, поднявшийся вверх, сгущается в облака, переносится ветром в разных направлениях в отдаленные места Земли и выпадает в виде осадков. Эти осадки питают реки, которые текут в моря и в океаны. Вся жизнь на Земле как растений, так и животных зависит от Солнца. В растениях происходит превращение солнечной энергии в химическую энергию.
Каменный уголь представляет собой окаменевшие в земле остатки лесов, когда-то росших на пространствах Земли. В нем запасена энергия Солнца. В болотах из отмеряющих растений образуются пласты торфа, используемого как топливо.
В конечном счете, энергия животных, питающихся растениями, и энергия человека — все это преобразованная солнечная энергия.
В последнее время все шире используется преобразование энергии солнечного излучения в электроэнергию. Космические корабли имеют разворачивающиеся солнечные батареи, позволяющие пре­образовывать солнечную энергию в электроэнергию, для электропитания корабля. Общая полезная площадь солнечной батареи достигает несколько десятков квадратных метров.
В тех областях, где много ясных солнечных дней в году, солнечное излучение применяют для нагревания воды, получения водяного пара и пр.

Тепловые двигатели ХХI века — Энергетика и промышленность России — № 08 (148) апрель 2010 года — WWW.EPRUSSIA.RU

Газета «Энергетика и промышленность России» | № 08 (148) апрель 2010 года

Прекратить малоэффективную и дорогостоящую реанимацию морально устаревших традиционных тепловых двигателей (ТД) может только появление двигателей с технико-экономическими и экологическими показателями, в разы превышающими существующие.

Технический консерватизм

Термодинамика возникла в первой половине XIX века в связи с развитием теории тепловых машин. В качестве рабочих тел были приняты газы и водяной пар. Появились газовые законы, появился нереальный – но при этом идеальный – цикл Карно. Появились также реальные газовые и паровые рабочие циклы тепловых двигателей, ставшие классикой. Они до настоящего времени находят широкое применение в двигателестроении, теплотехнике, авиационной и ракетно-космической технике. И по-прежнему цикл Карно считается максимально эффективным и уважаемым среди специалистов.

Таким образом, техническая термодинамика, зомбированная «эталонностью» нереального термодинамического цикла и формулы определения термического КПД Карно относительно нереального нижнего предела температуры по Кельвину, до настоящего времени твердо стоит на прежних позициях. Попыток что‑либо существенно изменить не предпринимается.

Теория тепловых машин и двигателей также остается без каких‑либо принципиальных изменений. Основой первых тепловых машин стал цилиндр с поршнем для совершения механической работы прямолинейного перемещения. Затем появился гибрид поршня с кривошипно-шатунным механизмом, позаимствованным от придуманной еще в XV веке самопрялки с ножным приводом, которая давно является музейным экспонатом.

Даже первобытному человеку на заре технического прогресса вряд ли пришла бы в голову мысль, что приводить во вращение ворот или блок рациональнее периодическими толчками в плоскости, совпадающей с осью вращения, чем приводить во вращение, создавая усилие перпендикулярно рычагу, соединенному с вращаемым валом. Однако кривошипно-шатунный механизм, реализующий этот явно нелогичный принцип, почти 250 лет используется в машинах и двигателях.

Теория тепловых двигателей, по‑прежнему зажатая рамками поршневого цилиндра со степенью расширения, равной степени сжатия, не может выйти за пределы этих рамок. Она продолжает реанимацию поршневых ДВС неполного расширения введением систем турбонаддува, распределенного впрыска, многократного впрыска, изменения фаз газорас-пределения, увлажнения воздуха, впрыска топлива в состоянии пара, регулирования подъема впускных клапанов, рециркуляции отработавших газов, высокого давления впрыска, нейтрализации выхлопных газов и регенерационных систем. К давно появившимся циклам Карно, Ленуара, Отто, Дизеля, Тринклера, Хамфри, Эрикссона, Стирлинга, Брайтона – Джоуля, Гирна, Калины добавились новые циклы Аткинсона и Миллера – но каких‑либо существенных изменений они не обеспечили.

Что возможно и невозможно в тепловых двигателях

Известно, что залогом достижения максимального термического КПД, выражаемого через количество тепла, являются как можно более высокие начальные параметры рабочего тела (давление и температура) – перед расширением и минимальные, близкие к окружающей среде, – после расширения. Кроме того, чтобы достичь такого КПД, необходимо также обеспечить и максимально эффективное преобразование давления, для чего необходим и максимально эффективный механизм преобразования давления рабочего тела во вращение вала.

Из определения термического КПД следует, что он тем выше, чем большая доля подведенной к рабочему телу теплоты превращается в работу. Естественным желанием является полное превращение теплоты в работу. Однако, по второму закону термодинамики, это невозможно. Часть теплоты должна быть отдана окружающей среде.

Из термодинамики следует, что теплота, подведенная к рабочему телу, идет на появление у рабочего тела двух видов энергии – внутренней энергии, мерой которой является температура, и потенциальной энергии давления, которая аналогична потенциальной энергии сжатой пружины. Механическую работу во всех тепловых двигателях совершает только потенциальная энергия давления.

Так как часть теплоты должна быть отдана окружающей среде, а она является носителем двух видов энергии, то ей фактически отдается и часть потенциальной энергии давления.

Соответственно, для тепловых двигателей второй закон необходимо дополнить следующим важным дополнением – часть потенциальной энергии давления рабочего тела должна быть отдана окружающей среде.

Таким образом, невозможно все давление рабочего тела использовать для совершения механической работы. Часть давления должна быть отдана окружающей среде.

Невозможно достичь максимального КПД в тепловых двигателях, не обеспечивая более полного использования потенциальной энергии давления рабочего тела.

Невозможно достичь максимального КПД в тепловых двигателях, преобразующих давление в механическую энергию вращения, не обеспечивая постепенного увеличения площади, воспринимающей давление, и одновременного удаления ее от центра вращения.

Невозможно достичь максимального КПД в тепловых двигателях, используя в качестве рабочего тела только газообразное.

Достижение максимального КПД возможно только при использовании в цикле расширения дополнительного рабочего тела, обладающего иными физическими свойствами, чем газ.

Достижение максимального КПД возможно только при максимальном использовании двух видов энергии, которой обладает рабочее тело перед расширением.

Невозможно достичь максимального КПД термодинамическими и рабочими циклами, не обеспечивающими полного использования энергии, которой обладает рабочее тело перед расширением.

Для достижения максимального КПД возможно использование не только потенциальной энергии давления газообразного рабочего тела, но и его внутренней энергии – при применении ее для генерации потенциальной энергии давления рабочего тела с иными свойствами, чем у газообразного, а именно – парообразующей жидкости.

Возможна генерация дополнительного рабочего тела непосредственно в процессе расширения газообразного.

Залог высокого КПД – максимальный крутящий момент

Рабочее тело в тепловом двигателе перед расширением обладает запасом потенциальной и внутренней тепловой энергии, но только потенциальная энергия (давление) рабочего тела преобразуется в механическую работу, а не температура. Температура необходима лишь для появления давления, которое и совершает работу. Об этом свидетельствует и формула крутящего момента. Даже после расширения до атмосферного давления рабочее тело имеет высокую температуру.

Для определения основных критериев оценки идеального теплового двигателя логичнее обратиться к формуле крутящего момента (Мкр), оценивающей конечный результат работы ТД, и проанализировать, как достичь максимальной величины Мкр.

Из формулы крутящего момента Мкр = Р х S х R (где Р – давление, S – активная площадь, R – радиус действия силы) следует, что для осуществления максимально эффективной работы при расширении рабочего тела необходимо обеспечить, по меньшей мере, его постоянство и максимальную величину. Что возможно, если поддерживать в процессе расширения максимальными площадь S и радиус R (или их произведение), то есть если увеличивать сомножители, входящие в формулу Мкр.

Идеальный механизм преобразования силы давления рабочего тела во вращательное движение вала должен обеспечивать увеличение объема за счет постепенного роста активной площади S, через которую передается усилие на вал, причем – при постоянном или растущем радиусе R приложения силы. Это и дает максимально возможный Мкр и, соответственно, мощность, которая зависит уже только от оборотов вала.

Использование парообразующей жидкости

Повысить степень использования тепловой энергии газов можно с помощью парообразующей жидкости – учитывая ее свойство при подводе одного и того же количества тепла запасать больше потенциальной энергии, чем газ. Это реализуется сейчас в парогазотурбинных установках, рассчитанных на совместное использование в двух тепловых циклах двух рабочих тел: газообразных продуктов сгорания топлива и водяного пара.

Для более глубокого использования тепла отработавших газов в газотурбинных двигателях (ГТД) применяются раздельные тепловые схемы установок с использованием газа и пара в контурах с отдельными газовыми и паровыми турбинами. В «хвост» ГТД пристраиваются парогенератор и паровые турбины. Они также преобразуют кинетическую энергию пара в механическую энергию вращения с такой же низкой эффективностью (не более 20 процентов) преобразования.

Известны контактные схемы, в которых газ и пар смешиваются в общий поток, поступающий в одну турбину. Пар здесь также генерируется в отдельном контактном парогенераторе. Однако в газовых турбинах необъемного расширения, работающих по циклу Брайтона, из‑за опасности помпажа и разрушения лопаток турбины можно подать только водяной пар и только в ограниченном количестве.

Теорией и практикой доказано, что использование водяного пара в рабочих циклах не только позволяет более полно использовать теплоту газообразных продуктов сгорания, но и обеспечивает снижение удельного расхода горючего.

Соответственно, также воздуха и выхлопных газов, повышая их удельную экологическую чистоту.

Использование парообразующей жидкости для повышения КПД газовых циклов возможно во всех типах тепловых двигателей, осуществляющих преобразование теплоты в механическую работу.

Максимальный КПД

В настоящее время в тепловых двигателях реализуются или только газовые, или только паровые циклы.

Среди используемых газовых максимальные начальные параметры давления и температуры (Р и Т) рабочих газов имеют циклы, реализуемые в тепловых двигателях объемного расширения. А невысокие, но обеспечивающие полное использование давления газов начальные параметры имеют циклы в двигателях необъемного расширения газотурбинных двигателей.

Первой перед автором стояла задача создать двигатель объемного расширения, в котором бы непрерывно реализовывался процесс создания газообразного рабочего тела с максимальными начальными Р и Т (характерными для двигателей объемного расширения), с дальнейшим расширением их до минимальных Р и Т (характерных для газотурбинных двигателей необъемного расширения).

Однако, обеспечивая максимально полное расширение, необходимо было также решить задачу максимально эффективного преобразования давления, обеспечив максимальный крутящий момент. А как следует из формулы, максимальный Мкр может быть достигнут при одновременном росте активной площади S и радиуса R. В большей степени это может обеспечить кинематический механизм, в котором процесс расширения будет происходить по траектории, подобной плоской спирали Архимеда.

Турбина объемного расширения

В современных осевых газовых и паровых турбинах необъемного расширения один поток рабочего тела движется в направлении оси вала турбины. При этом крутящий момент создает окружная сила, возникающая на лопатках ротора турбины и действующая перпендикулярно осевому потоку.

Известна однопоточная радиальная турбина необъемного расширения, предложенная в 1912 году в Швеции братьями Юнгстрем. Рабочее тело в ней движется при расширении от центра к периферии – в плоскости, перпендикулярной оси турбины. В ней нет неподвижных сопловых лопаток, два ротора вращаются в противоположных направлениях, и мощность, развиваемая турбиной, передается двум валам. Как и осевые турбины, она использует кинетическую энергию одного потока и является чисто реактивной.

Турбина объемного расширения (ТОР) является радиальной двухпоточной. В ней два потока рабочего тела движутся при расширении в плоскостях, перпендикулярных оси турбины, – однако, в отличие от известной, здесь используется не кинетическая энергия, а потенциальная энергия давления.

Она содержит два зеркально идентичных блока кольцевых цилиндров, между которыми эксцентрично установлен общий для двух проточных частей ротор. При использовании в составе ДВС он является общим рабочим колесом и для работы компрессоров, и для предварительного расширения газов, и для дорасширения газов или газопаровой смеси.

На планшайбе ротора, с двух торцевых сторон, для компрессорных полостей цилиндров и полостей предварительного бесступенчатого расширения газов каждого блока выполнены цилиндрические выступы, взаимодействующие через кинематические механизмы (шарниры) с лопастями или, как вариант, с лопатками рабочего колеса. Для цилиндров ступенчатого расширения газов или газопаровой смеси предусмотрены лопатки. Один шарнир, проходящий сквозь планшайбу ротора, может одновременно использоваться для лопастей левого и правого цилиндров.

Изменением размеров поперечного сечения и количеством кольцевых цилиндров обеспечивается любая требуемая степень расширения газа или газопаровой смеси.

Во втором варианте радиальная турбина содержит ступени необъемного расширения. На боковых поверхностях ротора кольцами постепенно возрастающего диаметра располагаются лопатки рабочих ступеней, а на внутренних боковых поверхностях блоков цилиндров, также кольцами, – неподвижные сопловые лопатки. После сборки турбины подвижные лопатки ротора чередуются с неподвижными лопатками цилиндров, образуя ступени расширения. Подвод рабочего тела осуществляется не парциально, как в турбине объемного расширения, а по всей окружности.

Оба варианта турбин могут использоваться и как дорасширительные в ДВС, и в качестве расширительных с внешним подводом пара – вместо традиционных паровых турбин.

При использовании обоих вариантов турбин в составе двигателя внутреннего сгорания полости цилиндров в каждом блоке последовательно (от центра к периферии – от впускного окна до выпускного) сообщаются между собой с образованием проточной части. Проточная часть содержит одну (впрыск, карбюратор) или две (дизель) кольцевые полости сжатия, перепускной канал, полости дожатия, воспламенения и предварительного объемного бесступенчатого расширения рабочих газов. А также – центробежную, спиралеобразную проточную часть ступенчатого расширения газов или газопаровой смеси.

Непрерывный, радиально-центро­бежный, спиралеобразный характер движения рабочего тела при расширении позволяет резко улучшить эффективность преобразования потенциальной энергии непосредственно в механическую. А соответственно – резко снизить удельный расход горючего и габаритно-весовые характеристики двигателя.

Газопаровой турбодвигатель

В ГПТД реализуется гибридный непрерывный рабочий цикл, состоящий из двух известных, осуществляемых раздельно в ДВС и паровых или газовых турбинах. При этом объединение двух рабочих циклов в один непрерывный обеспечивает срабатывание почти всего избыточного давления и почти всего избыточного тепла рабочих газов и пара и, соответственно, обеспечивает их суммарный КПД.

По существу, на газовый цикл традиционных ДВС, остаточная энергия газообразных продуктов сгорания которых велика и не используется, наложен паровой цикл, использующий теплоту предварительно расширившихся газов для генерации пара и его дальнейшего объемного расширения с ними до атмосферного давления газов и начала конденсации пара в жидкость.

В ГПТД обеспечивается «паровозная» тяга – большой крутящий момент при малой частоте вращения ротора, т. е. минимальный скоростной коэффициент и линейная характеристика крутящего момента, что при использовании турбодвигателя в мобильных транспортных средствах исключит необходимость применения многоступенчатых коробок передач.

Регулировка крутящего момента и, соответственно, мощности может осуществляться изменением подачи горючего и воды (или только воды – для мощных турбодвигателей) перепуском газопаровой смеси через ступень (по аналогии с паровыми турбинами).

Использование в рабочем цикле ГПТД водяного пара позволит не только более полно использовать теплоту продуктов сгорания, но и резко снизить удельный расход горючего, воздуха и выхлопных газов, обеспечивая их полную экологическую чистоту.

Известно, что в ДВС на сжигание 1 килограмма горючего в среднем расходуется 15 килограммов воздуха, а в авиационных ГТД – в 6‑7 раз больше. В ГПТД удельный расход воздуха в 8‑10 раз меньше, чем в ДВС, и в 50‑60 раз меньше, чем в авиационных двигателях.

Эффективность использования водяного пара в рабочем цикле ДВС для снижения токсичности выхлопных газов доказана исследованиями специалистов. Однако при этом не оценивается влияние попадающих в атмосферу токсичных паров воды, после конденсации которых растворенные твердые и газообразные токсичные вещества попадают в почву и атмосферу, т. е. в целом выхлоп остается токсичным.

При работе ГПТД обеспечивается полная экологическая чистота выхлопных газов. Токсичные газообразные и твердые вещества продуктов сгорания, растворенные в процессе расширения в водяном паре, остаются в контуре двигателя в конденсате, который периодически может сливаться, нейтрализовываться, а выделенные токсичные отходы утилизироваться.

В отличие от традиционных ДВС система охлаждения в ГПТД используется не для отвода избыточного тепла в атмосферу, а в качестве рекуперативного теплообменника. Она отводит тепло, образующееся при сжатии топливовоздушной смеси или воздуха, и избыточное тепло продуктов сгорания на предварительный нагрев второго рабочего тела – парообразующей жидкости.

В ГТД и ГПТД механические потери имеют место только в цилиндрах, в которых установлены лопасти и которые выполняют функции компрессора и предварительного расширения газообразных продуктов сгорания. При этом для герметизации стыков используются простые, надежные кольцевые торцевые уплотнения, характеризующиеся минимальным моментом трения и обеспечивающие высокий механический КПД.

В цилиндрах, которые выполняют функцию расширения газовой или газопаровой смеси и в которых перемещаются лопатки ротора, механические потери отсутствуют вообще, при этом в них создается основная доля крутящего момента и, соответственно, мощности турбодвигателя.

Расчеты показали, что фактически за счет тепловой энергии (теряемой в традиционных двигателях через систему охлаждения и с выхлопными газами) в газопаровом турбодвигателе объемного расширения до 70 процентов мощности, то есть больше половины, создается за счет нового газопарового термодинамического цикла и за счет оригинального механизма преобразования потенциальной энергии в механическую – турбины объемного расширения.

Турбодвигатель обеспечивает работу на всех видах углеводородного топлива, используемого для традиционных двигателей с внешним и внутренним подводом теплоты и, соответственно, реализацию всех известных рабочих циклов ДВС. Самым эффективным, как и в поршневых ДВС, является «дизельный» вариант ГПТД.

Предварительные расчеты основных технических характеристик ГПТД позволяют утверждать, что для создания мощности в 1 кВт он будет потреблять примерно в 8‑10 раз меньше горючего, чем потребляют лучшие образцы современных ДВС, соответственно в 8‑10 раз меньше потреблять атмосферного кислорода и выбрасывать в атмосферу нетоксичных выхлопных газов. Удельные потери тепла в атмосферу снизятся не менее чем в 15 раз.

Эффективный КПД может достигать 75‑80 процентов, то есть в два раза выше, чем обеспечивают лучшие образцы современных тепловых двигателей. При использовании тепла пара или горячего конденсата потребителями тепловой энергии (промышленная ТЭЦ или автономная мини-ТЭЦ) термический КПД может достигать 90 процентов, в условиях космоса – до 92 процентов.

Обеспечить вышеуказанные показатели удалось, создав совершенные кинематический механизм преобразования давления в крутящий момент и комбинированный (бинарный) газопаровой термодинамический цикл с использованием в качестве рабочего тела газопаровой смеси.

Появление адиабатного газопарового турбодвигателя объемного расширения, по мнению автора, вполне может завершить эпоху существования всех типов поршневых и роторно-лопастных ДВС неполного расширения и неполного использования теплоты газообразного рабочего тела.

Тепловой КПД для дизельного цикла | Уравнение

Тепловой КПД для дизельного цикла:

, где

• η _Дизель — максимальный тепловой КПД дизельного цикла
• α — коэффициент отсечки В ₃ / В ₂ (я.е., соотношение объемов в конце и начале фазы сгорания)
• CR — степень сжатия
• κ = c _p / c _v = 1,4

Тепловой КПД для дизельного цикла

Поскольку принцип Карно гласит, что никакой двигатель не может быть более эффективным, чем реверсивный двигатель ( тепловой двигатель Карно ), работающий между теми же высокотемпературными и низкотемпературными резервуарами, Дизельный двигатель должен иметь более низкий КПД, чем КПД Карно.Типичный автомобильный дизельный двигатель работает с тепловым КПД от 30% до 35% . Около 65-70% выбрасывается в виде отработанного тепла без преобразования в полезную работу, то есть работу, передаваемую на колеса. В целом двигатели, использующие дизельный цикл, обычно более эффективны, чем двигатели, использующие цикл Отто. Дизельный двигатель имеет самый высокий тепловой КПД среди всех применяемых двигателей внутреннего сгорания. Низкооборотные дизельные двигатели (используемые на судах) могут иметь тепловой КПД, превышающий 50% .Самый большой дизельный двигатель в мире — 51,7%.

Как правило, тепловой КПД , η _th любого теплового двигателя определяется как отношение выполняемой им работы, Вт , к тепловложению при максимальном значении. температура, Q _H .

Тепловой КПД , η _th , представляет собой долю тепла , Q _H , преобразованное в рабочее .Поскольку энергия сохраняется в соответствии с первым законом термодинамики и энергия не может быть полностью преобразована для работы, подвод тепла Q _H должен равняться проделанной работе, Вт, плюс тепло, которое должно рассеиваться в виде отработанного тепла . Q _C в окружающую среду. Поэтому мы можем переписать формулу для теплового КПД как:

Поглощенное тепло происходит во время сгорания топливно-воздушной смеси, когда возникает искра, примерно при постоянном объеме.Поскольку во время изохорного процесса система не выполняет никакой работы или над ней, первый закон термодинамики диктует ∆U = ∆Q. Следовательно, добавленное и отклоненное тепло определяется следующим образом:

Q _add = mc _p (T ₃ — T ₂ )

Q _out = mc _v (T ₄ — T ₁ )

Подставляя эти выражения для добавленного и отклоненного тепла в выражение для термического КПД, получаем:

Это уравнение можно преобразовать в форму со степенью сжатия и коэффициентом отсечки.Тепловой КПД для дизельного цикла:

, где

• η _Дизель — максимальный тепловой КПД дизельного цикла
• α — коэффициент отсечки В ₃ / В ₂ ( т.е. соотношение объемов в конце и начале фазы сгорания)
• CR — степень сжатия
• κ = c _p / c _v = 1.4

Это очень полезный вывод, поскольку желательно достичь высокой степени сжатия, чтобы извлечь больше механической энергии из данной массы топлива. Как было сказано в предыдущем разделе, тепловой КПД стандартного для воздуха цикла Отто также является функцией степени сжатия и κ.

Когда мы сравниваем их с формулами, можно видеть, что цикл Отто будет более эффективным для данной степени сжатия (CR), чем цикл дизеля. Но дизельные двигатели обычно более эффективны, поскольку могут работать при более высоких степенях сжатия.

В обычных двигателях Otto степень сжатия имеет свои пределы. Степень сжатия в бензиновом двигателе обычно не превышает 10: 1. Более высокие степени сжатия сделают бензиновые двигатели подверженными детонации, вызванной самовоспламенением несгоревшей смеси, если используется топливо с более низким октановым числом. Риск самовоспламенения топлива минимален, поскольку дизельные двигатели являются двигателями с воспламенением от сжатия и в начале такта сжатия в цилиндре нет топлива.

См. Также: Дизельный цикл — проблема с решением.

См. Также: Степень сжатия

КПД двигателей на транспорте

• В середине двадцатого века типичный паровоз имел тепловой КПД около 6% . Это означает, что на каждые 100 МДж сожженного угля было произведено 6 МДж механической энергии.
• Типичный бензиновый автомобильный двигатель работает с тепловым КПД от 25% до 30% .Около 70-75% выбрасывается в виде отработанного тепла без преобразования в полезную работу, то есть работу, передаваемую на колеса.
• Типичный автомобильный дизельный двигатель работает при примерно от 30% до 35% . В целом двигатели, использующие дизельный цикл, обычно более эффективны.
• В 2014 году были введены новые правила для автомобилей Формулы-1 . Эти правила автоспорта подтолкнули команды к разработке высокоэффективных силовых агрегатов. По данным Mercedes, их силовой агрегат теперь достигает более 45% и почти 50% теплового КПД, т.е.е. 45-50% потенциальной энергии топлива передается на колеса.
• Дизельный двигатель имеет самый высокий тепловой КПД среди всех применяемых двигателей внутреннего сгорания. Низкооборотные дизельные двигатели (используемые на судах) могут иметь тепловой КПД, превышающий 50% . Самый большой дизельный двигатель в мире — 51,7%.

Ссылки:

1. Дж. Р. Ламарш, Введение в теорию ядерных реакторов, 2-е изд., Аддисон-Уэсли, Рединг, Массачусетс (1983).
2. Дж. Р. Ламарш, А. Дж. Баратта, Введение в ядерную инженерию, 3-е изд., Прентис-Холл, 2001, ISBN: 0-201-82498-1.
3. У. М. Стейси, Физика ядерных реакторов, John Wiley & Sons, 2001, ISBN: 0-471-39127-1.
4. Glasstone, Сесонске. Nuclear Reactor Engineering: Reactor Systems Engineering, Springer; 4-е издание, 1994 г., ISBN: 978-0412985317
5. W.S.C. Уильямс. Ядерная физика и физика элементарных частиц. Кларендон Пресс; 1 издание, 1991 г., ISBN: 978-0198520467
6. Кеннет С.Крейн. Введение в ядерную физику, 3-е издание, Wiley, 1987, ISBN: 978-0471805533
7. Г. Р. Кипин. Физика ядерной кинетики. Аддисон-Уэсли Паб. Co; 1-е издание, 1965 г.
8. Роберт Рид Берн, Введение в эксплуатацию ядерных реакторов, 1988 г.
9. Министерство энергетики, ядерной физики и теории реакторов США. Справочник Министерства энергетики США по основам, том 1 и 2. Январь 1993 г.

Advanced Reactor Physics:

1. KO Ott, WA Bezella, Введение в статику ядерных реакторов, Американское ядерное общество, пересмотренное издание (1989 г.), 1989 г., ISBN: 0-894-48033-2.
2. К. О. Отт, Р. Дж. Нойхольд, Введение в динамику ядерных реакторов, Американское ядерное общество, 1985, ISBN: 0-894-48029-4.
3. Д. Л. Хетрик, Динамика ядерных реакторов, Американское ядерное общество, 1993, ISBN: 0-894-48453-2.
4. Э. Льюис, В. Ф. Миллер, Вычислительные методы переноса нейтронов, Американское ядерное общество, 1993, ISBN: 0-894-48452-4.

Другие ссылки:

Дизельный двигатель — переработка автомобилей

Тепловой КПД дизельных двигателей составляет примерно: 1) 15% 2) 30% 3) 50% 4) 70%

Второй закон термодинамики: энтропия и системы

Важно соблюдать все элементы, которые повлияли на теорию большого взрыва и законы термодинамики.В частности, второй закон термодинамики включает энтропию и системы. Этот урок исследует этот закон термодинамики, включая его системы, значения и практические применения.

Законы термодинамики

Законы термодинамики имеют дело с отношениями между теплом и энергией.Изучите, как законы термодинамики действуют в повседневной жизни, просмотрите первый и второй законы и узнайте об энергии в замкнутой системе.

Тепловые двигатели и КПД

Любой двигатель, который использует теплопередачу для физического движения объекта, можно описать как пример теплового двигателя.Узнайте больше о различных типах тепловых двигателей, втором законе термодинамики и формулах, используемых для расчета энергоэффективности тепловых двигателей.

Применение первого закона термодинамики к реакциям и процессам

Термодинамика изучает отношения тепла с другими видами энергии.Узнайте о применении первого закона термодинамики к реакциям и процессам. Просмотрите закон сохранения энергии, изучите определение энергии и рассмотрите преобразования между формами энергии, а также между энергией и материей.

Примеры теплопередачи: проблемы и решения

Тепло — это энергия, и энергия может передаваться.Тепло самопроизвольно перетекает от более теплых веществ к более холодным. В этом уроке мы рассмотрим, как тепловая энергия передается от более теплых предметов к более холодным.

Растворимость газов в жидкости

Растворимость относится к количеству одного вещества, которое может абсорбироваться другим.Изучите расчеты, объясняющие, как растворенный газ может быть растворен в жидком растворителе, а также влияние температуры и давления на его растворимость.

Стандартная энтальпия образования: объяснение и расчеты

Стандартная энтальпия образования или стандартная теплота образования используется в расчетах для определения изменений энтальпии.Изучите энергию химических реакций, объяснение и расчеты стандартной энтальпии образования.

Равномерное круговое движение: определение и математика

Равномерное круговое движение — это движение по кругу с постоянной скоростью.Изучите ускорение, центростремительную силу и центробежную силу и потренируйтесь вычислять математические уравнения, выражающие эту физическую концепцию.

Закон об идеальном газе: проблемы и решения

Закон идеального газа состоит из четырех переменных: молей, температуры, давления и объема.В этом уроке мы попрактикуемся в использовании закона идеального газа для расчета давления, температуры и объема газов.

Коэффициент сжимаемости газа

Коэффициент сжимаемости газа используется для оценки различий в поведении газа.Изучите характеристики идеальных и неидеальных или реальных газов и узнайте, как найти коэффициент сжимаемости газа, используя уравнение, в котором коэффициент представлен Z.

Тепловые двигатели и холодильники