Motor termic

Versiunea actuală a paginii nu a fost încă examinată de colaboratori experimentați și poate diferi semnificativ de versiunea revizuită pe 24 noiembrie 2019; verificările necesită 40 de modificări .

Un motor termic este un motor termic care utilizează căldură din surse externe (motor cu ardere externă ) sau obținută din arderea combustibilului din interiorul motorului (în camera de ardere sau cilindrii unui motor cu ardere internă ) pentru a fi transformată în energie mecanică ( mișcare de translație ). sau rotația arborelui de ieșire). În conformitate cu legile termodinamicii, astfel de motoare au o eficiență mai mică de unu, ceea ce înseamnă că căldura nu este complet convertită în energie mecanică. În funcție de designul motorului, de la 40 la 80 la sută din energia primită (sau eliberată în interior) părăsește mașina sub formă de căldură la temperatură scăzută, care în unele cazuri este folosită pentru a încălzi habitaclu (transport la sol), clădiri și structuri rezidențiale (pentru motoarele staționare) sau pur și simplu emise în atmosferă (motoare de avioane, motoare de putere redusă ale uneltelor manuale, motoare de bărci și altele asemenea). În astfel de cazuri, se vorbește despre factorul de utilizare a căldurii combustibilului , care este mai mare decât randamentul motorului în sine [1] .

Un aspect important al oricărui motor termic este tipul și cantitatea de combustibil pe care îl consumă și poluarea rezultată a mediului . Turbinele cu abur care convertesc căldura unui reactor nuclear și a stațiilor solare termice nu ard combustibil, în timp ce restul depind de purtătorii de energie disponibili, care în multe cazuri sunt transportați de la distanță. Totalitatea motoarelor termice disponibile în statul (conversia energiei pentru motoare secundare, de obicei electrice) a locurilor de extracție a combustibilului și a infrastructurii de transport pentru transportul acestuia se numește complex de combustibil și energie . Motoarele termice sunt primare , spre deosebire de cele secundare (motoare electrice, hidraulice și altele care primesc energie de la cele primare) [2] .

Teorie

Lucrul efectuat de motor este:

A=Q_{H}-\left|Q_{X}\right|\

, Unde:

$Q_{H}$ - cantitatea de căldură primită de la încălzitor,
$Q_{X}$ - cantitatea de căldură dată răcitorului.

Coeficientul de performanță (COP) al unui motor termic este calculat ca raportul dintre munca efectuată de motor și cantitatea de căldură primită de la încălzitor: $\eta ={\frac {\left|Q_{H}\right|-\left|Q_{X}\right|}{\left|Q_{H}\right|}}=1-{\frac {\ stânga|Q_{X}\right|}{\left|Q_{H}\right|}}$

O parte din căldură se pierde în mod inevitabil în timpul transmisiei, astfel încât randamentul motorului este mai mic de 1. Motorul Carnot are randamentul maxim posibil . Eficiența motorului Carnot depinde doar de temperaturile absolute ale încălzitorului ( ) și răcitorului ( ): $T_{H}$ $T_{X}$

\eta _{K}={T_{H}-T_{X} \over T_{H}}=1-{T_{X} \over T_{H}}

Cu toate acestea, în funcție de designul motorului, eficiența sa teoretică poate fi mai mică decât cea pentru ciclul Carnot. Deci, pentru cel mai comun motor Otto care funcționează pe ciclul Otto , eficiența teoretică a ciclului este:

\eta =1-{\frac {1}{n^{{k-1))))

, Unde:

$n=V_{1}/V_{2}$ - raportul de compresie ,
$k$ este indicele adiabatic .

Așa-numita eficiență a indicatorului este mai mică decât cea teoretică, ceea ce arată imperfecțiunea ciclului în curs de desfășurare (diferența dintre diagrama indicatorului și cea teoretică din cauza pierderilor de căldură către pereți, timp de încălzire cu gaz diferit de zero, butelie). umplere și curățare).

La rândul său, factorul de eficiență efectivă (ținând cont de toate pierderile până la arborele de ieșire) este chiar mai mic cu suma pierderilor mecanice și a pierderilor la antrenarea sistemelor de motor (pompa de ulei, sisteme de distribuție a gazului, sisteme de răcire și altele - in functie de aparat).

Cicluri ale motoarelor termice

Aproape orice proiectare a unui motor termic utilizează un ciclu termodinamic care arată schimbarea stării fluidului de lucru . Acest lucru nu se aplică motoarelor cu stare solidă, care modifică starea structurii motorului, și nu gazul sau lichidul din interiorul acestuia. Cele mai cunoscute sunt ciclul Rankine , ciclul regenerativ (motoare cu abur), ciclul clasic Otto și ciclul Diesel .

Motoare termice cu ardere externă

Astfel de motoare s-au răspândit mai devreme, datorită lipsei lor de pretenții față de tipul de combustibil, a unui dispozitiv mai simplu și a inutilității în versiunile timpurii (motor cu abur) a sistemelor de pornire, aprindere și răcire. Au dat un impuls puternic industrializării, deoarece cu ajutorul lor au fost mecanizate minele, îmbrăcămintea și alte fabrici, apoi transportul (căile ferate). Noile circuite îmbunătățite ale unor astfel de motoare furnizează lumii cea mai mare parte a energiei electrice generate (centrale termice, centrale nucleare, centrale termice, centrale solare cu încălzire cu boiler). Cele mai recente modele de locomotive cu abur sunt folosite și astăzi datorită simplității lor și a consumului de praf de lemn ca combustibil. Unele (motor Stirling) au fost folosite în nave spațiale.

Motor cu abur

Un motor termic în care energia potențială a vaporilor de apă este convertită în lucru mecanic printr-un piston care se mișcă alternativ sau rotativ sub presiunea aburului într-un cilindru închis. Orice motor cu abur este alternativ și nu există mașini cu abur care nu sunt alternativ. Funcționează întotdeauna împreună cu un cazan cu abur , care este o sursă externă de căldură pentru motorul cu abur în sine. [3]
Motorul cu abur este cel mai vechi motor termic, ale cărui primele modele datează din secolul al XVII-lea. La început a fost folosit exclusiv în aplicații staționare (pompe pentru apele de mină, cărucioare de conducere), apoi a fost instalat pe astfel de vehicule precum locomotivă cu abur , vapor cu aburi , mașină cu abur . Se inversează ușor. Are o gamă largă de viteze de funcționare cu eficiență moderată (versiunile timpurii aproximativ 4%, cele mai recente 12..14% [4] .

Turbină cu abur

Un motor termic în care energia potențială a vaporilor de apă este convertită în energie cinetică și care, la rândul său, este transformată în energie mecanică de rotație a arborelui. [5] Funcționarea unei turbine cu abur se bazează pe expansiunea vaporilor de apă furnizați prin duze către mașina cu palete ale turbinei, care, datorită energiei cinetice a jeturilor de abur care acționează asupra palelor rotorului, asigură lucru mecanic asupra arborelui turbinei. . [6]
Funcționează întotdeauna împreună cu un cazan de abur sau un generator de abur , care este o sursă externă de căldură pentru turbina cu abur în sine.
Este utilizat în centralele industriale puternice de căldură și energie: la centralele termice și nucleare, unde se menține o eficiență bună a turbinelor cu abur datorită ratelor mari (temperatura, presiunea) de abur și a modului de funcționare al unității aproape de puterea maximă. [7]

Motor Stirling

Un motor termic în care fluidul de lucru sub formă de gaz se mișcă într-un volum închis, datorită încălzirii și răcirii periodice, cu extragerea energiei din schimbarea de presiune rezultată. Poate funcționa nu numai din arderea combustibilului, ci și din orice sursă de căldură. [8] Aplicație: nave, centrale electrice staționare, vehicule spațiale. [9]

Motoare termice cu ardere internă

Motoare cu ardere internă - o denumire colectivă a oricăror motoare termice care transformă energia chimică a combustibilului în lucru datorită arderii sale în interiorul motorului însuși într-o cameră de ardere special concepută în acest scop , care este inclusă organic în proiectarea motorului însuși. și este elementul său integral. Fluidul de lucru din orice motoare termică cu ardere internă este întotdeauna produsul arderii combustibilului. Lucrarea de extindere a produșilor gazoși de combustie în astfel de motoare este organizată în moduri diferite și poate apărea din cauza rotației arborelui, datorită fluxului de jet din produsele de ardere sau combinate. Există următoarele tipuri de motoare termice cu ardere internă: cu piston, în care activitatea de dilatare a produselor gazoase de ardere este efectuată într-un cilindru (percepută de un piston, a cărui mișcare alternativă este transformată în mișcare de rotație a arborelui cotit) sau este utilizat direct în mașina acționată; turbine cu gaz, în care munca de extindere a produselor de ardere este percepută de palele de lucru ale rotorului; reactive, care utilizează presiunea jetului care apare atunci când produsele de ardere ies din duză. [zece]

Motoarele termice cu ardere internă sunt modele mai recente și mai complexe ale motoarelor termice. Au indicatori de masă specifici înalți, prin urmare au primit aplicația principală în transport. Datorita procesului de lucru intens, au un transfer de caldura mai mic catre pereti, ceea ce confera o eficienta termica mai mare. Singurele motoare care asigură zboruri, inclusiv cele spațiale (pe orbită).

Motor alternativ cu ardere internă

Un motor termic care transformă căldura de ardere a combustibilului în lucru mecanic prin arderea unui amestec combustibil-aer precomprimat în interiorul unui cilindru cu un piston alternativ sau rotativ. Cel mai comun (după număr) motor termic. Este principalul tip de motor pentru orice autovehicul terestre, de la mopede la locomotive diesel. Se mai foloseste si in mecanizarea la scara mica, in centralele mobile, pe nave fluviale si maritime ca motor principal sau motor economic. O caracteristică este eficiența bună în game largi de putere.

Motor cu turbină cu gaz

Un motor termic care transformă căldura de ardere a combustibilului în energia cinetică a unui curent cu jet sau în lucru mecanic pe un arbore, ale cărui elemente principale sunt un turbocompresor și o cameră de ardere. Este folosit în centralele electrice staționare și ca motor pentru diverse vehicule de transport. Cea mai cunoscută aplicație este avioanele cu reacție. Are o gamă de putere relativ îngustă, cu o eficiență suficientă, dar indicatori mai mari de greutate și dimensiune față de motoarele cu piston cu ardere internă.

Motor cu reacție

În același timp, este un motor (conferă putere sub formă de mișcare înainte a gazului). Este folosit în aviație ( avioane cu reacție ) și astronautică ( motor de rachetă chimic ). Capabil să funcționeze în vid (atât combustibilul, cât și oxidantul sunt furnizate în camera de ardere).

Motoare termice atipice

Clasificarea motoarelor termice cu ardere internă include și armele de foc [11] , un ciocan diesel și un generator de gaz cu piston liber .

Motoare cu stare solidă

Astfel de motoare folosesc un material solid (substanță în fază solidă) ca fluid de lucru. Lucrul se realizează prin schimbarea formei corpului de lucru. Permite utilizarea unor mici diferențe de temperatură. [12]

Exemple:

Convertor de energie termoelectrică Johnson (JTEC) - folosește oxidarea electrochimică și reducerea hidrogenului într-o pereche de celule, implementează un ciclu termic apropiat de ciclul John Ericsson [13]
motoarele metalice care folosesc schimbarea formei diferitelor aliaje dure din cauza temperaturii, cum ar fi compozițiile cu memorie de formă sau dilatarea termică a solidelor [14]

Note

↑ CENTRALE TERMICE (TPP) . helpiks.org . Preluat la 5 martie 2021. Arhivat din original la 30 aprilie 2018. (nedefinit)
↑ Tip - prim motor - The Great Encyclopedia of Oil and Gas, articol, pagina 1 . www.ngpedia.ru _ Preluat la 5 martie 2021. Arhivat din original la 14 ianuarie 2019. (nedefinit)
↑ „Motoare cu abur”. - S. 7. 1-1. Conceptul de lucru și dispozitiv al motorului cu abur.
↑ Eficiența locomotivei cu abur . www.modelzd.ru _ Preluat la 6 martie 2021. Arhivat din original la 1 aprilie 2021. (nedefinit)
↑ „Motoare termice”. - S. 7. 1-1. Turbine cu abur. Scurt istoric al dezvoltării. (paragraful 1).
↑ „Motoare termice”. - S. 7. 1-1. Turbine cu abur. Scurt istoric al dezvoltării. (paragraful 3).
↑ „Motoare termice”. - S. 5. 1-1. Introducere.
↑ „Motoare marine cu piston cu combustie externă (motoare Stirling)”. — P. 10. §2 Principiul de funcționare.
↑ „Motoare marine cu piston cu combustie externă (motoare Stirling)”. — P. 4. Prefaţă.
↑ Motor cu ardere internă - Marea Enciclopedie Rusă . Marea Enciclopedie Rusă . Preluat la 23 mai 2021. Arhivat din original la 10 august 2020. (Rusă)
↑ Landsberg G.S. Manual elementar de fizică. Volumul I. Mecanica. Căldură. Fizica moleculară. - M .: Nauka , 1971. - Tiraj 300.000 exemplare. - p. 647
↑ revista „Tehnologia tineretului”[ clarifica ]
↑ Sistemul de conversie a energiei termoelectrice Johnson (JTEC) (articol). Bright Hub (26 septembrie 2010). Consultat la 26 septembrie 2010. Arhivat din original pe 7 octombrie 2010. (nedefinit)
↑ revista „Tehnologia Tineretului” 1976 Nr. 11, pagina 44 - „Și Carnot a prevăzut asta”,

Literatură

I. N. Nigmatulin, P. N. Shlyakhin, V. A. Tsenev. „Motoare termice” / I. N. Nigmatulin. - Moscova: Şcoala superioară, 1974. - 375 p.
A. L. Burov. Tutorial „motoare termice” . - Moscova: MGIU, 2008. - S. 214-219. — 224 p. — ISBN 978-5-2760-1604-7 .
B. S. Stechkin. „Scrieri alese: Teoria motoarelor termice” . - Moscova: Fizmatlit, 2001. - 432 p. — ISBN 5-9221-0101-3 .
E. L. Mișinski, M. A. Ryzhkov-Dudonov. „Motoare marine cu piston cu ardere externă (motoare Stirling)” . - Leningrad: „Construcții navale”, 1976. - 76 p.
G. S. Jiriţki. „Motoare cu abur” . - Moscova: „Gosenergoizdat”, 1951. - 281 p.
V. S. Beniovich, G. D. Apazidi, A. M. Boyko. „Motoare cu roto-piston” / I. K. Ageev. - Moscova: „Inginerie”, 1968. - 151 p.
N. S. Khanin, S. B. Chistozvonov. „Motoare cu piston rotativ pentru automobile” . - Moscova: MASHGIZ, 1964. - 184 p.
Orir J. Fizică, curs complet = Fizică de Jay Orear, Universitatea Cornell / per. din engleza. și editare științifică de Yu. G. Rudogo și A. V. Berkov. - al 2-lea. - Moscova: "Editura" KDU ", 2010. - S. 231-262. — 752 p. - ISBN 978-5-98227-366-6 .