Тепловой двигун з зовнішнім підведенням теплоты

РЕФЕРАТ по физике.

НА ТЕМУ.

Тепловий двигун з зовнішнім підведенням теплоты.

Виконав учениr 10 — «Б» класу середньої школи № 33.

ПЛАН.

1. Перспективні разработки.

2. Термодинаміка теплового двигателя.

3. Робота двигателя.

4. Схема двигателя.

Заключение

.

Автомобільний двигун пройшов тривалий шлях розвитку та з технічної погляду є досконалим. Проте до нашого часу найбільшу увагу у його вдосконалення приділялося досягненню максимальної потужності, малої є і розмірів двигуна, мінімальних виробничих витрат. Тепер першому плані як найважливіший критерій оцінки двигуна виступає мінімізація споживання їм палива. Зниження споживання палива досягти непросто, та, крім того, він може надавати несприятливий вплив на цілий ряд параметрів двигателя.

Попри постійно сокращающиеся можливості вдосконалення сучасних двигунів внутрішнього згоряння, їм досі приділяється багато уваги. Це було пов’язано, передусім, з труднощами переозброєння такий величезної галузі як автомобілебудування. Проте, виконання висунутих з перспективи жорстких вимог до чистоти відпрацьованих газів і економічності, до бензиновим і дизельним двигунам внутрішнього згоряння видається возможным.

Тому доцільно перейматися радикальній зміні силових установок механічних транспортних засобів. Однією з варіантів такого радикальної зміни силовий установки є двигун з зовнішнім підведенням теплоти. Можливості вдосконалення, такого двигуна ще вичерпані. Необхідно удосконалювати як він термодинамічний цикл, так і силову установку його использующую.

Перспективні разработки.

За даними агенства економічних новин, найперспективнішими розробками нині є термомагнитный двигун, і теплової двигун з зовнішнім підведенням теплоты.

Термомагнитный двигун вигідно відрізняється простий конструкцією, в якому теплова енергія гарячих газів, отриманих від згоряння палива, перетворюється на механічну енергію з допомогою фазового переходу матеріалу ротора з магнітного стану в немагнитное і навпаки. Двигун може мати коефіцієнт корисної дії вище, ніж в двигунів внутрішнього згоряння й у своєї роботи навіть використовувати низькотемпературні гази (порядку 100 град. З), які інші двигуни що неспроможні використовувати зовсім використовувати з не меншою эффективностью.

Використовуючи гарячі гази, отримані спалюванням рідкого чи газоподібного палива, запропонований двигун може заміняти двигуни внутрішнього згоряння. Однак новий двигун набагато простіше за конструкцією й працює без шуму, що його великим достоинством.

Новий двигун може також працювати використовуючи гарячі гази, є відходами під час роботи різних високотемпературних агрегатів: металургійних печей, котельних установок і т.п.

Аналізований нижче двигун з зовнішнім підведенням теплоти призначений для утилізації теплової енергії гарячих газів, є відходами різних виробництв і процесів. Извлеченное тепло двигун перетворює в механічну роботу, яка з допомогою електрогенератора то, можливо перетворено на електроенергію. У сучасному виробництві теплових відходів у вигляді газів гарячих дуже багато. Це гарячі гази, що виходять із металургійних печей, котельних установок різноманітних, гази в трубах систем отопления.

Найперспективнішим застосуванням двигуна є використання їх у приватних будинках у районах з холодним кліматом (Північ РФ, Сибір, Аляска, Канадський Північ, Скандинавія). І тут тепло відведених газів системи опалення буде використано задля забезпечення вдома електроенергією. Двигун він може спонукати насос на шляху подання до будинку води з реки.

Аналізований двигун розроблений в Єкатеринбурзі Конюховым Дмитром Леонідовичем і немає зарубіжних аналогов.

Термодинаміка теплового двигателя.

Нині для двигунів з зовнішнім підведенням теплоти найбільш відомий термодинамічний цикл Стирлинга, що з двох ізотерм і двох изохор. Але можливе застосування та інших термодинамічних циклів у подібних двигателях.

Розглянемо ідеальний термодинамічний цикл з изотермическим стиском і адиабатическим розширенням нікого гіпотетичного двигуна. На рис. 1 наведено такий ідеальний термодинамічний цикл, показаний pVі sTкоординатах.

[pic].

Рис. 1. Ідеальний термодинамічний цикл.

У циклі прийнято изохорический процес підвода теплоти оскільки, його термічний ККД більше изобарического. Для спрощення розрахунків, изохорический процес 2−3 показаний прямий линией.

Термічний ККД циклу по sT-диаграмме рис. 1а:

|[pic] |(1) |.

Термічний ККД циклу по pV-диаграмме рис. 2б:

|[pic] |(2) |.

где:

P — ступінь підвищення давления;

Q — показник адиабаты;

T — ступінь сжатия.

Як очевидно з формули (1) термічний ККД такого циклу залежить від відносини температур холодильника і нагрівача, а формули (2) — відповідності між необхідної виробленої роботою, ступенем стискування і кількістю подводимой теплоты.

Наприклад, при T3 = 1173K; T1 = 337K;? = 6,5;? = 1,6 і? = 3,5 термічний ККД циклу становитиме 0,55. Що, за інших рівних умов, можна з термічним ККД циклу Стирлинга.

Однак у реальному двигуні домогтися, що він працював за таким циклу звісно важко, тому узагальнений термодинамічний цикл реального двигуна матиме такий вигляд, як показано на рис. 2. [pic].

Рис. 2. Реальний термодинамічний цикл.

Робота двигателя.

Для пояснення принципу роботи ДВПТ по циклу з изохорическим на стиснення і адиабатическим розширенням скористаємося рис. 3. [pic].

Рис. 3. Принцип роботи ДВПТ.

Такт впуску (рис. 3а).

У верхньої мертвої точці (ВМТ) відкривається клапан що у поршне і за русі поршня до нижньої мертвої точці (НМТ) робоче тіло, з тиском p1 і температурою T1, вступає у циліндр. У НМТ клапан в поршне закрывается.

Такт стискування (рис. 3б).

При русі поршня до верхньої мертвої точці (ВМТ) відбувається стиснення робочого тіла, у своїй выделяющаяся у процесі стискування теплота Q1 (див. рис. 1) розсіюється у навколишньому середовищі, як наслідок температура стінки циліндра, отже, і температура робочого тіла підтримується постійної і рівної T1. Тиск робочого тіла зростає й сягає значення p2.

Такт розширення (рис. 3в).

У процесі нагрівання теплота через стінку циліндра передається робочому тілу. При миттєвому підводі теплоти Q2 до робочого тілу тиск і температура в циліндрі зростають, відповідно до p3 і T3. Робоча тіло впливає на поршень і переміщає його до НМТ. У процесі адиабатного розширення робоче тіло виробляє корисну роботу, а тиск і температура зменшуються до p1 і T1.

Такт випуску (рис. 3г).

При русі поршня до ВМТ в циліндрі відкривається клапан і крізь нього здійснюється випуск робочого тіла з циліндра, із тиском p1 і температурою T1. У НМТ клапан в циліндрі закрывается.

Цикл замыкается.

Схема двигателя.

[pic] Спрощена схема двигуна представлена на рис. 4.

Рис. 4. Схема роботи ДВПТ.

У двигуні такти стискування і здійснюються у різних циліндрах, відповідно компрессионном 1 і розширювальному 2. Циліндри 1 і 2 пов’язані між собою через компрессионную 3 і расширительную 4 магістралі. У компресійною магістралі 3 перебуває охолоджувач 5, а розширювальним магістралі 4 перебуває нагрівач 6. Компрессионная магістраль 3 підключена до компрессионному циліндру 1 через випускний клапан 7, а до расширительному циліндру 2 через впускний клапан 8. Расширительная магістраль 4 підключена до расширительному циліндру 2 через випускний клапан 9, а до компрессионному циліндру 1 через впускний клапан 10. Поршні 11 та дванадцяти циліндрів 1 і 2 пов’язані з валом двигуна 13 механізмом перетворення руху 14.

Заключение

.

Головне питання — як технічно реалізувати розглянутий вище цикл на реальному устрої. Безперечно є кілька вариантов.

Автор запропонував варіант реалізації циклу в двигуні, що містить компресійні і расширительные циліндри розташовані навколо осі приводного валу з похилій шайбою. Причому впускний орган компрессионных і випускний орган більш ширших циліндрів виконані поршнях.

Прийняте автором технічне рішення дозволить зробити геометричні характеристики впускных і випускних органів максимально можливих розмірів, і унаслідок чого, максимально зменшити опір при впуске та випуск робочого тіла. Впускні і випускні органи компрессионных і більш ширших циліндрів управляються електронікою. Як джерела тепла застосований теплової акумулятор. До тепловому акумулятора підключена камера згоряння, яка автоматично підтримує у ньому постійну температуру.

Сукупність вище названих технічних рішень, на думку автора, дозволить: досягти високого ККД двигуна; здійснювати беспринудительный запуск двигуна; повертати теплоту знову на теплової акумулятор як гальмування двигуном; під час запуску вибирати напрям обертання валу двигуна у бік; використовувати майже всі є екологічно безпечними; забезпечити мінімальне зміст шкідливих речовин у відпрацьованих газах.

1. Двигуни Стирлинга: Збірник статей / Переклад з анг. Б.В.

Сутугина; під ред. д.т.н., проф. В. М. Бродянского. — М.: «Мир»,.

1975.

2. Двигуни Стирлинга / [В.М. Даниличев, С.І. Єфімов, В.А. Дзвінок та інших.]; під ред. М. Г. Круглова. — М.: «Машинобудування», 1977.