0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Устройство теплового двигатели и его схема

Устройство теплового двигатели и его схема

Тепловой двигатель – устройство преобразующее внутреннюю энергию топлива в механическую энергию. Основные части теплового двигателя: нагреватель, рабочее тело и холодильник. Чтобы получить полезную работу, необходимо сделать работу сжатия газа меньше работы расширения. Для этого нужно, чтобы каждому объёму при сжатии соответствовало меньшее давление, чем при расширении. Поэтому газ перед сжатием должен быть охлажден.
Для того 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 (газа) на сотни или тысячи градусов по сравнению с температурой окружающей среды. Такое повышение температуры происходит при сгорании топлива.
Одна из основных частей двигателя — сосуд, наполненный газом, с подвижным поршнем. Рабочим телом у всех тепловых двигателей является газ, который совершает работу при расширении. Обозначим начальную температуру рабочего тела (газа) через T1. 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 T1 температурой нагревателя.’

Рассмотрим это на примере идеальной тепловой машины.

Любая тепловая машина состоит из трех частей: теплоотдатчика, рабочего тела и теплоприемника. Теплоотдатчик имеет температуру Т1 и отдает некоторое количество теплоты Q1 рабочему телу. Рабочее тело (газ, пар, нагретая жидкость) совершает работу. Причем, не вся теплота Q1 превращается в работу, а только некоторая ее часть

Другая часть теплоты Q2 передается телу с более низкой температурой (Т2) – теплоприемнику. Таким образом, сущность работы тепловой машины заключается не только в получении теплоты Q1 от теплоотдатчика и совершении работы А, но и передаче некоторого количества теплоты Q2теплоприемнику, температура которого ниже чем температура теплоотдатчика (Т1 > Т2). Вечный двигатель второго рода состоит из первых двух частей, то есть, теплота Q1 полностью переходит в работу А, а это невозможно. Там, где нет перепада температур (Т1 = Т2), невозможно превратить теплоту в работу.

Чтобы получить математическое выражение второго начала термодинамики, рассматривают действие идеальной тепловой машины. Идеальной называют машину, которая работает без трения и потерь тепла. В ней рабочим телом является идеальный газ. Работа машины основана на принципе обратимого термодинамического цикла, называемого циклом Карно.

Цикл Карно состоит из четырех последовательно совершаемых процессов: изотермического расширения, адиабатического расширения, изотермического сжатия, адиабатического сжатия газа. Все процессы проводят обратимо, в результате чего газ возвращается в исходное положение.

В результате математических преобразований получают

(Q1 – Q2)/Q1 = (Т1 – Т2)/Т1 (4.9)

или h = А/Q1; h = (Т1 – Т2)/Т1 (4.10)

где h – коэффициент полезного действия (КПД) тепловой машины.

Установленный на валу ротор жестко соединён с зубчатым колесом, которое входит в зацепление с неподвижной шестерней. Ротор с зубчатым колесом как бы обкатывается вокруг шестерни. Его грани при этом скользят по эпитрохоидальной поверхности цилиндра и отсекают переменные объёмы камер в цилиндре.

Такая конструкция позволяет осуществить 4-тактный цикл без применения специального механизма газораспределения. Герметизация камер обеспечивается радиальными и торцевыми уплотнительными пластинами, прижимаемыми к цилиндру центробежными силами, давлением газа и ленточными пружинами.

Смесеобразование, зажигание, смазка, охлаждение, запуск принципиально такие же, как и у обычного поршневого двигателя внутреннего сгорания.

Практическое применение получили двигатели с трёхгранными роторами, с отношением радиусов шестерни и зубчатого колеса: r: R = 2: 3, которые устанавливают на автомобилях, лодках и т.п. Масса и габариты двигателя Ванкеля в 2-3 раза меньше соответствующих им по мощности двигателей внутреннего сгорания обычной схемы.

Воздух сначала поступает в цилиндр, сжимается и нагревается до высокой температуры. В раскаленный воздух с помощью форсунки впрыскивается самовоспламеняющееся и быстро сгорающее топливо, за счет чего мотор и начинает работать. Для таких двигателей необходимо специальное дизельное топливо. Из уроков физики все мы знаем, что тепловая энергия может преобразовываться в механическую. Именно это и происходит, когда в цилиндре двигателя сгорает топливо. Тепло, превращаясь в механическую работу, начинает двигать поршень, который в цилиндре двигается возвратно-поступательно. Коленчатый вал, связанный с поршнем при помощи шатуна, вращается.

Во время работы, поршень то приближается, то удаляется от коленчатого вала. Когда эти две детали сближаются, то в цилиндр поступает горючая смесь. При движении цилиндра в обратную сторону, в нем увеличивается давление. Сжатая горючая смесь в этот момент готова к сгоранию, едва стоит вспыхнуть искре, как смесь легко воспламеняется и выделяет газы, которые нужны для того, чтобы привести мотор в движение. Цилиндр соединен с трубопроводом, через который из двигателя выбрасываются отработанные газы.

Одно движение поршня к коленчатому валу или обратно называется ходом. Если за четыре хода поршня вал сделает два оборота вокруг своей оси, значит, закончился так называемый рабочий цикл. Двигатель, рабочий цикл которого совершается за два оборота коленчатого вала, называется четырехкратным. Существуют также и двукратные двигатели. Рабочий цикл у них совершается за два хода поршня и за один оборот коленчатого вала. В автомобильных моторах такие двигатели практически не применяются, зато их широко используют для мотоциклов.

Чем сильнее будет давление на поршень при сгорании горючей смеси, тем больше мощность двигателя. Поэтому выгодно увеличивать степень сжатия в двигателе. В этом случае из той же порции топлива получается больше полезной работы. Многие автолюбители пытаются самостоятельно отрегулировать двигатель так, чтобы расходовать меньше топлива, но при этом не терять мощности. Но увлекаться этим не следует, поскольку при сильном увеличении степени сжатия горючая смесь сгорает слишком быстро (этот процесс называется детонация), что вызывает неустойчивую работу двигателя. При этом в работающем двигателе слышен стук, мощность значительно снижается, а из глушителя идет черный дым.

Читать еще:  Kia ceed громко работает двигатель

Двигатель внешнего сгорания- Принцип работы и достоинства

Паровые двигатели, широко используемые в девятнадцатом веке, не обеспечивали достаточной безопасности при их эксплуатации. Механизмы обладали множественными конструктивными недостатками, не выдерживали высокого давления пара, что приводило к разрывам котлов. Двигатель внешнего сгорания, запатентованный в 1816 году священником из Шотландии по имени Роберт Стирлинг, стал удачным решением для того времени. Его уникальность состояла в применении специального очистителя (регенератора) в, известных ранее, «двигателях горячего воздуха».

На представленной схеме в доступной форме проиллюстрировано устройство поршневого механизма и порядок его работы.

Суть изобретения Стирлинга

На схеме тепловой двигатель состоит из двух цилиндров компрессионного и рабочего. Левая и правая стороны удлиненного цилиндра разделены теплоизоляционной стенкой. Внутри ходит специальный вытеснительный поршень, который не соприкасается с боковыми стенками.

  1. К левой стороне устройства подводится тепло, к правой – охлаждение.
  2. Когда поршень движется влево, горячий воздух вытесняется в холодную правую зону и охлаждается.
  3. При этом газ уменьшается объеме.
  4. Рабочий поршень втягивается влево.
  5. При движении вытеснительного поршня вправо холодный воздух вытесняется в горячую зону, где нагревается и расширяется.
  6. Толкает рабочий поршень вправо.
  7. Рабочий и вытеснительный поршни связаны между собой через коленчатый вал с углом смещения 90 градусов.

Важно: Тепловой двигатель – это механизм поршневого типа с подводом тепла от внешнего источника. Рабочее тело устройства постоянно находится в замкнутом пространстве и не подлежит замене. Для поставки необходимого количества тепла могут быть использованы следующие источники:

  • электричество;
  • солнце;
  • ядерная энергия и пр.

История развития двигателей внешнего сгорания

В отличие от двигателей внутреннего сгорания (ДВС), где энергия выделяется в результате расширения объема воздуха при сгорании топливных смесей, здесь нагрев рабочего материала осуществляется через наружные стенки цилиндра. Отсюда произошло название «Двигатель внешнего сгорания».

Благодаря появлению в конструкции двигателя регенерирующего элемента, тепло надолго сохраняется в зоне действия при охлаждении рабочего тела, что способствует значительному повышению производительности двигателя. Изобретение позволило увеличить эффективность механизмов, его стали широко применять в промышленном производстве.

С течением времени, устройства Стирлинга утратили популярность, но по инерции продолжали применяться на некоторых немногочисленных производствах. Паровые двигатели уступили лидирующую ступеньку механизмам нового поколения:

  • двигателям внутреннего сгорания;
  • паровым машинам;
  • электрическим двигателям.

О достоинствах тепловых устройств снова стали вспоминать только в двадцатом веке. Внедрением двигателей Стирлинга в современные разработки занимаются лучшие инженерные коллективы известных производителей Америки, Швеции, Японии и пр.

Как работает тепловая машина Стирлинг

Принцип работы двигателя внешнего сгорания заключается в постоянной смене режимов – нагревание/охлаждение рабочего материала, находящегося в замкнутом пространстве. Исходя из законов физики, при нагревании газа, его объем увеличивается, а при снижении температуры, он уменьшается соответственно. Количество вырабатываемой энергии зависит от коэффициента изменения объема рабочего тела.

Под термином «рабочее тело» подразумеваются следующие вещества:

  1. Воздух.
  2. Пар.
  3. Газ (гелий, водород, фреон, двуокись азота).
  4. Жидкость (вода, сжиженный бутан или пропан).

Сфера применения двигателей внешнего сгорания

В результате последующих усовершенствований конструкции мотора, газ нагревается/охлаждается при постоянном давлении в системе (вместо сохранения объема). Это изобретение инженера из Швеции по имени Эриксон, позволило создавать двигатели, предназначенные для использования работниками шахт, типографий, судов и пр. В пассажирских экипажах того времени тепловые двигатели не применялись, т. к. обладали сравнительно большим весом.

Двигатели внешнего сгорания часто использовались для приведения в действие генераторов в районах, где отсутствовала подача электроэнергии.

Интересно: В 1945 году изобретатели-энтузиасты компании Philips придумали обратное применение тепловых устройств. При раскручивании вала электрическим двигателем, головка цилиндра охлаждается до минус 190°С. Это дало возможность использовать усовершенствованный поршневой двигатель внешнего сгорания Стирлинга в холодильных агрегатах.

Можно ли использовать двигатели Стирлинга вместо ДВС

Компания General Motors со второй половины ХХ века начала заниматься внедрением в производство V-образных стирлингов для кривошипно-шатунных механизмов. При испытаниях двигателей внешнего сгорания было замечено, что они идеально работают без звуков и шума. Здесь отсутствуют карбюратор, система зажигания, форсунки, требующие высокое давление, свечи, клапаны и пр. Для создания достаточного давления в цилиндрах двигателя не нужно взрывать топливо, как в ДВС. При использовании автомобилей, оснащенных двигателями внешнего сгорания, можно решить проблему, связанную со снижением шума в больших городах.

В результате проведенных испытаний были выявлены следующие достоинства и недостатки двигателей внешнего сгорания.

  • Преимущества данных устройств:
  • бесшумная работа (нет необходимости устанавливать глушитель);
  • отсутствие вибраций;
  • нет необходимости в создании высокого давления в системе;
  • универсальность, способность работать от различных источников тепла;
  • легкость регулировок.

К недостаткам двигателей относятся:

  • сравнительно большой вес конструкции;
  • малая экономичность;
  • высокая себестоимость механизма.

Упрощенная схема V- образного двигателя внешнего сгорания:

Один из цилиндров двигателя является рабочим (1), другой, соответственно, компрессионным (7). В каждом из них расположен свой поршень (2). В центральной части схемы размещены: охладитель (6), теплообменник (4), нагревательный элемент (3). При максимальной скорости одного из поршней, другой в это же время находится в неподвижном состоянии, его скорость равна нулю. Угол смещения фаз равен 90°, благодаря взаимно перпендикулярному расположению цилиндров.

Как работает и где применяется двигатель внешнего сгорания

Несмотря на то, что двигатели Стирлинга были забыты на некоторый период, в современном производстве при создании новых модификаций выдающееся изобретение набирает новую популярность. Народные умельцы по достоинству оценили преимущества двигателей внешнего сгорания и сооружают самостоятельно в домашних условиях различные приспособления, основанные на их применении. Для изготовления теплового двигателя своими руками в домашних мастерских используются различные материалы и подручные средства:

  1. Большие и средние емкости, позаимствованные из домашнего хозяйства.
  2. Подшипники от старых механизмов.
  3. Диски.
  4. Металлические стержни различного диаметра для осей, стоек.
  5. Листы из металла, древесных плит для изготовления платформы.
Читать еще:  Чем заменить якорь двигателя для пылесоса

Данные устройства используются в домашнем хозяйстве для выполнения самых различных работ:

  1. Вырабатывание электрической энергии в мелких масштабах.
  2. Создание тепловой энергии.

Количества мощности некоторых образцов самодельных двигателей Стирлинга, достаточно для обустройства электрической сети и обеспечения теплом частных домов, небольших школ, лечебных корпусов, спортивных сооружений, производственных мастерских и пр.

Двигатели, созданные своими руками, функционируют от различных источников тепла:

  • природный газ;
  • дрова;
  • уголь;
  • торф;
  • пропан и прочие виды топлива местного производства или полезных ископаемых.

Благодаря простоте конструкции, тепловые устройства, изготовленные своими руками, не нуждаются в регулярном техническом обслуживании агрегата. Сжигание топлива осуществляется за пределами корпуса цилиндра, поэтому рабочее тело не загрязняется продуктами сгорания, на внутренних стенках оборудования не скапливаются вредные отложения.

В сравнении с ДВС, в состав данной конструкции входит вдвое меньше подвижных узлов и деталей. Здесь требуется намного меньше смазки для ухода за быстро изнашиваемыми элементами. Требования к качеству смазочных материалов – минимальны.

Для подведения электросети к потребителям не требуется приобретать дорогостоящее оборудование. Подсоединение проводов к электрической сети осуществляется простыми привычными методами.

Двигатели внешнего сгорания, произведенные в бытовых условиях, легко монтируются на ровных площадках, покрытых гравием, без прочной фиксации. Данные установки не подвержены вредным атмосферным воздействиям. Для обеспечения бесперебойной стабильной работы двигателю не требуется специальный защитный корпус.

Принцип работы тепловой завесы

Принцип работы воздушной завесы заключается в динамическом разделении двух сред с различными характеристиками, которые граничат друг с другом по площади некоторых проемов посредством создания плоской струи воздуха. Указанные проемы — это входы, въезды в здания, выходы из транспортных средств, технологические сообщения между помещениями производственных и торговых назначений и т.п. В некоторых случаях воздушные завесы устанавливаются не в проемах, внутри помещений, ограничивая зоны различных характеристик среды непосредственно своими воздушными потоками.

Содержание
  1. Назначение тепловых завес
  2. Ограниченная эффективность
  3. Расположение на проеме
  4. Устройство тепловой завесы
  5. Способы подогрева
  6. Эффективность создания воздушного потока

Назначение тепловых завес

Назначение тепловых завес — это разделение сред с разными температурами и/или другими характеристиками. Это влажность, содержание пыли, запахов, насекомых и т д.

Скорость выравнивания любой из этих характеристик среды определяется законом диффузии, она пропорциональна произведению площади проема на разность концентраций (например, пыли, насекомых) по разные стороны от проема.

Иначе обстоит дело с температурным выравниванием: его скорость определяется не диффузией, а гравитационными силами. Но надо понимать, что теплопотери не прямо пропорциональны высоте проема. Эта зависимость более сильная.

Ограниченная эффективность

Температура в помещении без воздушной завесы

Температура в помещении с воздушной завесой

Работающая воздушная завеса препятствует этому выравниванию, хотя полностью противостоять переносу вещества через проем неспособна.

Более того, если прибор имеет избыточные характеристики по скорости воздушного потока, то его действие будет способствовать не разделению температур или других характеристик сред, а их более быстрому выравниванию по разные стороны проема — завеса в этом случае станет бесполезна.

Любые реальные воздушные завесы полностью не могут разделять среды и в лучших случаях имеют эффективность не более 70-75%. Это обусловлено не недостатком их конструкции, а физическими принципами: даже для небольших проемов высотами 1-2 метра и скоростями воздухопотоков несколько метров в секунду струи устройств являются турбулентными. А любая турбулентная струя подразумевает перемещение вещества не только вдоль, но и поперек своего основного течения.

Если предположить, что при высоте проема менее 1 см и скорости воздуха менее 1см/с, поток воздушной завесы станет ламинарным. Это подразумевает теоретическую возможность 100% эффективности, то есть полного разделения сред по разные стороны от этого проема).

Расположение на проеме

Устройства могут размещаться горизонтально над проемом, вертикально с одной или с двух сторон, а также комбинированно. Они могут создавать кратную защиту проема, при использовании в тамбурах с 2х сторон. Также возможно использование воздушных завес с несколькими воздушными потоками, призванными уменьшить тепловые потери.

Из соображений комфорта или других требований приборы могут иметь конструктивную возможность подогрева потока воздуха. В этом случае их также называют тепловыми завесами. Тепловые завесы, кроме характеристик потока имеют характеристики подогрева воздуха, которые можно определять как общей мощностью подогрева, так и температурой подогрева струи воздуха. Возможны комбинированные защиты проемов, когда рядом могут использоваться как воздушные завесы без нагрева, так и тепловые завесы.

Устройство тепловой завесы

Из чего состоят тепловые завесы и в чем отличие устройства воздушной завесы от тепловой? По сути, это синонимы, но тепловые завесы являются разновидностью воздушных. Почему? Давайте разберемся. К основным компонентам любой завесы можно отнести:

  • Вентилятор — тангенциальный или осевой. В завесах для небольших проемов традиционно чаще используются тангенциальные крыльчатки, поскольку они компактнее и создают сплошной поток равный длине крыльчатки. В промышленных завесах могут применяться и мощные осевые вентиляторы, позволяющие защитить проемы высотой более 10 метров.
  • Двигатели — отличаются по мощности на валу и по классу энергопотребления. Чем они мощнее, тем больше воздуха будет прокачивать завеса и тем более высокие и широкие проемы будет способна защищать.
  • Корпус — обычно из металла или из пластика.
  • Средства управления завесой — кнопки и роторы на корпусе или отдельный пульт, который может быть как проводным, так и беспроводным.
Читать еще:  Электрическая схема системы управления двигателем газ 3110

Двигатель воздушной завесы

Тепловой завеса становится тогда, когда к перечисленным выше компонентам добавляется еще один:

  • Нагревательный элемент — электрический или водяной теплообменник. Электрические нагревательные элементы используются разные, чаще всего это классические ТЭНы (трубчатые нагревательные элементы) или стич-элементы (игольчатые нагревательные элементы).

Воздушные завесы устроены так, чтобы отсекать холодный воздух снаружи и препятствовать его попаданию в помещение. Основную функцию отсечения выполняют двигатель и вентилятор. Но в случае наличия нагревательного элемента, воздух еще и подогревается, за счет чего прибор становится эффективнее.

Также имея одинаковые компоненты, конструкция тепловой завесы может быть немного разной — в зависимости от расположения нагревательных элементов (на входе воздуха в завесу или на выходе), агрегат будет либо лучше отсекать воздух, либо сильнее нагревать его.

Нагревательные элементы тепловых завес

Способы подогрева

По способу нагрева тепловые завесы в основном подразделяются на электрические и водяные.

В первых почти вся электрическая мощность используется для нагрева воздуха. Во втором же случае мощность нагрева обычно во много десятков раз превосходит электрическую мощность, используемую для создания воздушного потока.

В тепловых завесах водяного подогрева или в воздушных завесах без нагрева мощность полностью используется для создания воздухопотока. Для этих приборов особое значение имеет эффективность преобразования мощности в поток воздуха или к.п.д. создания воздушного потока.

Эффективность создания воздушного потока

На пути преобразования электрической мощности, которая отбирается от сети питания, в мощность движения потока воздушной завесы существуют два препятствия. Электродвигатель не может полностью перевести электроэнергию в энергию вращения вала — некоторая ее часть всегда теряется не бесполезный нагрев частей устройства. Энергия, которая подводится к валу вентилятора от мотора, также частично теряется на незначительный нагрев движущегося воздуха.

Эти потери определяют к.п.д. электродвигателя и вентилятора, а общий к.п.д. определяется их произведением. Например, к.п.д. мотора 0,6, а вентилятора 0,4. Тогда к.п.д. преобразования электрической мощности в мощность движения воздухопотока будет равен 0,24. Это означает, что на 1 кВт мощности, забираемый из сети, производится 240 Вт механической мощности упорядоченного движения воздуха в потоке воздушной завесы.

Значения к.п.д. двигателей и вентиляторов главным образом определяется их типами, которых как для двигателей, так и для вентиляторов существует несколько. Для завес с электрическим подогревом эффективность двигателей и вентиляторов не имеет решающего значения для выбора прибора — основное внимание следует уделить оптимальному перекрытию проема.

Схема выведения и полет «Протон-К»

При выведении полезного груза (ПГ) на базовую околоземную орбиту порядок работы ракеты-носителя «Протон-К» следующий.

За 1.6 с до главной команды на пуск РН маршевые ЖРД первой ступени запускаются на режим предварительной тяги (10% от номинала). Ступенчатый запуск дает возможность убедиться, что все шесть двигателей работают нормально и можно давать команду на пуск. По главной команде осуществляется увеличение тяги и, как только тяга превысит вес ракеты, происходит отрыв ее от стартового устройства.

На 10 секунде полета РН начинается маневр по ориентации ее на требуемый азимут полета и далее осуществляется программный разворот по тангажу.

Отделение первой ступени происходит по горячей схеме при работающих маршевых ЖРД второй ступени. Такая схема разделения уменьшает до минимума гравитационные потери скорости, обеспечивает надежный запуск двигателей второй ступени и не требует установки тормозных РДТТ на первой ступени.

Головной обтекатель может сбрасываться на 183 или 344 секунде полета в зависимости от ограничений, накладываемых на тепловое состояние КА.

Отделение второй ступени осуществляется по полугорячей схеме при работающих четырех камерах рулевого ЖРД третьей ступени. Рулевой двигатель запускается при работающих ЖРД второй ступени, чем достигается высокая надежность запуска. Их работа, в свою очередь, обеспечивает надежность запуска маршевого ЖРД третьей ступени. Торможение второй ступени после отделения происходит за счет работы шести тормозных РДТТ.

Перед отделением ПГ сначала выключается маршевый ЖРД третьей ступени и рулевой двигатель осуществляет плавное доведение конечной скорости до расчетного значения. После отделения ПГ третья ступень тормозится четырьмя РДТТ.

После отделения от ракеты-носителя «Протон-К» разгонный блок «ДМ» совершает 15-ти минутный маневр по ориентации своей продольной оси для совершения первого включения маршевого ЖРД. По окончании маневра блок «ДМ» входит в режим стабилизированного полета.

Через 25 минут после маневра ориентации блок «ДМ» совершает 180-ти градусный поворот вокруг оси вращения для компенсации гироскопического дрейфа. Этот поворот помогает также поддерживать тепловое состояние КА.

40 минут спустя начинают работать двигатели системы обеспечения запуска (СОЗ), создавая перегрузку для усадки топлива в баках. Затем запускается маршевый ЖРД, обеспечивая переход на эллиптическую орбиту с апогеем на геостационарной высоте и наклонением 48 градусов. Продолжительность работы маршевого ЖРД составляет примерно 450 с. После его останова блок «ДМ» совершает маневр по ориентации своей продольной оси для второго включения.

Затем блок «ДМ» входит в режим стабилизированного полета к апогейной точке переходной орбиты в течении 5 часов 15 минут. Через 2.5 часа этого полета блок совершает очередной 180-ти градусный поворот вокруг оси вращения.

При достижении апогея переходной орбиты осуществляется включение двигателей СОЗ и второй запуск маршевого ЖРД, который работает в течение 230 с, обеспечивая выход на круговую геостационарную орбиту с наклонением 0 градусов. Через 14.8 с после выключения маршевого ЖРД происходит отделение блока «ДМ» от КА.

Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector