Värmemotor

Den aktuella versionen av sidan har ännu inte granskats av erfarna bidragsgivare och kan skilja sig väsentligt från versionen som granskades den 24 november 2019; kontroller kräver 40 redigeringar .

En värmemotor är en värmemotor som använder värme från externa källor ( extern förbränningsmotor ) eller som erhålls från förbränning av bränsle inuti motorn (i förbränningskammaren eller cylindrarna i en förbränningsmotor ) för att omvandlas till mekanisk energi ( translationsrörelse ). eller rotation av den utgående axeln). I enlighet med termodynamikens lagar har sådana motorer en verkningsgrad på mindre än en, vilket innebär att värme inte helt omvandlas till mekanisk energi. Beroende på motorns design lämnar från 40 till 80 procent av den inkommande (eller frigjorda inuti) energin bilen i form av lågtemperaturvärme, som i vissa fall används för att värma passagerarutrymmet (marktransport), bostadsbyggnader och strukturer (för stationära stationära motorer), eller helt enkelt släpps ut i atmosfären (flygplansmotorer, lågeffektsmotorer av handverktyg, båtmotorer och liknande). I sådana fall talar man om bränslevärmeutnyttjandefaktorn , som är högre än själva motorns verkningsgrad [1] .

En viktig aspekt av alla värmemotorer är typen och mängden bränsle den förbrukar och den resulterande miljöföroreningen . Ångturbiner som omvandlar värmen från en kärnreaktor och solvärmestationer förbränner inte bränsle, medan resten är beroende av tillgängliga energibärare, som i många fall transporteras på långt håll. Helheten av tillgängliga värmemotorer i staten (omvandlar energi för sekundära motorer, vanligtvis elektriska) på bränsleutvinningsplatser och transportinfrastruktur för dess transport kallas bränsle- och energikomplexet . Värmemotorer är primära , till skillnad från sekundära (elektriska, hydrauliska motorer och andra som tar emot energi från primära) [2] .

Teori

Arbetet som utförs av motorn är:

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

, var:

$Q_{H}$ - mängden värme som tas emot från värmaren,
$Q_{X}$ - mängden värme som ges till kylaren.

Prestandakoefficienten (COP) för en värmemotor beräknas som förhållandet mellan det arbete som utförs av motorn och mängden värme som tas emot från värmaren: $\eta ={\frac {\left|Q_{H}\right|-\left|Q_{X}\right|}{\left|Q_{H}\right|}}=1-{\frac {\ vänster|Q_{X}\höger|}{\left|Q_{H}\höger|}}$

En del av värmen går oundvikligen förlorad under transmissionen, så motorns verkningsgrad är mindre än 1. Carnot-motorn har högsta möjliga verkningsgrad . Carnot-motorns effektivitet beror endast på de absoluta temperaturerna för värmaren( ) och kylaren( ): $T_{H}$ $T_{X}$

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

Beroende på motorns design kan dock dess teoretiska effektivitet vara lägre än den för Carnot-cykeln. Så för den vanligaste Otto-motorn som arbetar på Otto-cykeln är cykelns teoretiska effektivitet:

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

, var:

$n=V_{1}/V_{2}$ - kompressionsförhållande ,
$k$ är det adiabatiska indexet .

Den så kallade indikatoreffektiviteten är mindre än den teoretiska, vilket visar ofullkomligheten i cykeln som utförs (skillnaden mellan indikatordiagrammet och den teoretiska på grund av värmeförlust till väggarna, icke-noll gasuppvärmningstid, cylinder fyllning och rengöring).

I sin tur är den effektiva effektivitetsfaktorn (med hänsyn till alla förluster upp till utgående axel) ännu mindre med summan av mekaniska förluster och förluster på drivningen av motorsystem (oljepump, gasdistributionssystem, kylsystem och andra - beroende på enheten).

Värmemotorcykler

Nästan vilken design som helst av en värmemotor använder en termodynamisk cykel som visar förändringen i arbetsvätskans tillstånd . Detta gäller inte solid state-motorer, som ändrar tillståndet för motorns struktur, och inte gasen eller vätskan inuti den. De mest kända är Rankine-cykeln , den regenerativa cykeln (ångmotorer), den klassiska Otto -cykeln och dieselcykeln .

Värmemotorer för extern förbränning

Sådana motorer blev utbredda tidigare, på grund av deras anspråkslöshet för bränsletypen, en enklare anordning och värdelösheten i tidiga versioner (ångmotor) av start-, tändnings- och kylsystem. De gav en kraftfull impuls till industrialiseringen, eftersom gruvor, kläder och andra fabriker mekaniserades med deras hjälp, sedan transport (järnväg). Förbättrade nya kretsar av sådana motorer förser världen med det mesta av den el som genereras (värmekraftverk, kärnkraftverk, värmekraftverk, solkraftverk med pannuppvärmning). De senaste modellerna av ånglok används fortfarande idag på grund av deras enkelhet och förbrukningen av trädamm som bränsle. Vissa (Stirlingmotor) har använts i rymdfarkoster.

Ångmaskin

En värmemotor i vilken den potentiella energin av vattenånga omvandlas till mekaniskt arbete genom att en kolv rör sig fram- och återgående eller roterande under ångtryck i en sluten cylinder. Varje ångmaskin är fram- och återgående, och det finns inga icke-fram- och återgående ångmaskiner. Den fungerar alltid tillsammans med en ångpanna , som är en extern värmekälla för själva ångmaskinen. [3]
Ångmaskinen är den äldsta värmemotorn, vars första design går tillbaka till 1600-talet. Först användes den uteslutande i stationära applikationer (pumpar för gruvvatten, körvagnar), sedan installerades den på sådana fordon som ett ånglokomotiv , ångbåt , ångbil . Lätt vända. Har ett brett utbud av driftshastigheter med måttlig effektivitet (tidiga versioner ca 4%, de senaste 12..14% [4] .

Ångturbin

En värmemotor där den potentiella energin av vattenånga omvandlas till kinetisk energi, och som i sin tur omvandlas till mekanisk rotationsenergi för axeln. [5] Driften av en ångturbin är baserad på expansionen av vattenånga som tillförs genom munstycken till turbinbladsmaskinen, vilket, på grund av den kinetiska energin hos ångstrålarna som verkar på rotorbladen, ger mekaniskt arbete på turbinaxeln . [6]
Fungerar alltid tillsammans med en ångpanna eller ånggenerator , som är en extern värmekälla för själva ångturbinen.
Det används i kraftfulla industriella värme- och kraftverk: vid värme- och kärnkraftverk, där god effektivitet hos ångturbiner upprätthålls på grund av höga hastigheter (temperatur, tryck) av ånga och enhetens driftläge nära maximal effekt. [7]

Stirlingmotor

En värmemotor där arbetsvätskan i form av en gas rör sig i en sluten volym, på grund av periodisk uppvärmning och kylning, med utvinning av energi från den resulterande tryckförändringen. Det kan fungera inte bara från bränsleförbränning, utan också från vilken värmekälla som helst. [8] Användning: fartyg, stationära kraftverk, rymdfarkoster. [9]

Förbränningsvärmemotorer

Förbränningsmotorer - en samlingsbeteckning för alla värmemotorer som omvandlar bränslets kemiska energi till arbete på grund av dess förbränning inuti själva motorn i en förbränningskammare speciellt utformad för detta ändamål , som ingår organiskt i själva motorns design. och är dess integrerade element. Arbetsvätskan i alla förbränningsvärmemotorer är alltid produkterna av bränsleförbränning. Arbetet med att expandera de gasformiga förbränningsprodukterna i sådana motorer är organiserat på olika sätt och kan uppstå på grund av axelns rotation, på grund av jetströmmen från förbränningsprodukterna, eller kombinerat. Det finns följande typer av förbränningsvärmemotorer: fram- och återgående, där arbetet med att expandera de gasformiga förbränningsprodukterna utförs i en cylinder (uppfattas av en kolv, vars fram- och återgående rörelse omvandlas till rotationsrörelse av vevaxeln) eller används direkt i den maskindrivna; gasturbiner, i vilka arbetet med att expandera förbränningsprodukterna uppfattas av rotorns arbetsblad; reaktiva, som använder det jettryck som uppstår när förbränningsprodukterna rinner ut ur munstycket. [tio]

Förbränningsvärmemotorer är nyare och mer komplexa konstruktioner av värmemotorer. De har höga specifika massindikatorer, därför har de fått huvudapplikationen inom transport. På grund av den intensiva arbetsprocessen har de mindre värmeöverföring till väggarna, vilket ger en högre termisk effektivitet. De enda motorerna som ger flygningar, inklusive rymdmotorer (i omloppsbana).

Fram- och återgående förbränningsmotor

En värmemotor som omvandlar förbränningsvärmen av bränsle till mekaniskt arbete genom att bränna en förkomprimerad bränsle-luftblandning inuti en cylinder med en fram- och återgående eller roterande kolv. Den vanligaste (efter antal) värmemotorn. Det är huvudtypen av motor för alla landmotorfordon, från mopeder till diesellokomotiv. Den används också i småskalig mekanisering, i mobila kraftverk, på flod- och sjöfartyg som en huvudmotor eller en ekonomisk motor. En egenskap är god verkningsgrad i breda effektområden.

Gasturbinmotor

En värmemotor som omvandlar värmen från förbränning av bränsle till kinetisk energi i en jetström eller till mekaniskt arbete på en axel, vars huvudelement är en turboladdare och en förbränningskammare. Den används i stationära kraftverk och som motor för olika transportfordon. Den mest kända applikationen är jetflygplan. Den har ett relativt smalt effektområde med tillräcklig effektivitet, men högre vikt- och storleksindikatorer i förhållande till kolvförbränningsmotorer.

Jetmotor

Samtidigt är det en mover (det ger kraft i form av framåtrörelse av gas). Det används inom flyg ( jetflygplan ) och astronautik ( kemisk raketmotor ). Kan arbeta i vakuum (både bränsle och oxidationsmedel tillförs förbränningskammaren).

Atypiska värmemotorer

Klassificeringen av förbränningsvärmemotorer inkluderar också skjutvapen [11] , en dieselhammare och en frikolvsgasgenerator .

Solid state-motorer

Sådana motorer använder ett fast material (ämne i fast fas) som arbetsvätska. Arbetet utförs genom att ändra formen på arbetskroppen. Tillåter användning av små temperaturskillnader. [12]

Exempel:

Johnson termoelektrisk energiomvandlare (JTEC) - använder elektrokemisk oxidation och reduktion av väte i ett par celler, implementerar en termisk cykel nära John Ericsson -cykeln [13]
metallmotorer som använder formförändringen hos olika hårda legeringar på grund av temperatur, såsom formminneskompositioner eller termisk expansion av fasta ämnen [14]

Anteckningar

↑ TERMISKA KRAFTVERK (TPP) . helpiks.org . Hämtad 5 mars 2021. Arkiverad från originalet 30 april 2018. (obestämd)
↑ Typ - drivkraft - The Great Encyclopedia of Oil and Gas, artikel, sida 1 . www.ngpedia.ru _ Hämtad 5 mars 2021. Arkiverad från originalet 14 januari 2019. (obestämd)
↑ "Ångmaskiner". - S. 7. 1-1. Konceptet för ångmaskinens arbete och anordning.
↑ Ånglokseffektivitet . www.modelzd.ru _ Hämtad 6 mars 2021. Arkiverad från originalet 1 april 2021. (obestämd)
↑ "Värmemotorer". - S. 7. 1-1. Ångturbiner. Kort utvecklingshistoria. (paragraf 1).
↑ "Värmemotorer". - S. 7. 1-1. Ångturbiner. Kort utvecklingshistoria. (punkt 3).
↑ "Värmemotorer". - S. 5. 1-1. Introduktion.
^ "Marina externa förbränningskolvmotorer (Stirlingmotorer)". — S. 10. §2 Driftprincip.
^ "Marina externa förbränningskolvmotorer (Stirlingmotorer)". — S. 4. Förord.
↑ Förbränningsmotor - Great Russian Encyclopedia . Stora ryska encyklopedin . Hämtad 23 maj 2021. Arkiverad från originalet 10 augusti 2020. (ryska)
↑ Landsberg G.S. Elementär lärobok i fysik. Volym I. Mekanik. Värme. Molekylär fysik. - M .: Nauka , 1971. - Upplaga 300 000 exemplar. - s. 647
↑ tidningen "Technology of Youth"[ förtydliga ]
↑ Johnson Thermoelectric Energy Conversion System (JTEC) (artikel). Bright Hub (26 september 2010). Hämtad 26 september 2010. Arkiverad från originalet 7 oktober 2010. (obestämd)
↑ tidningen "Technology of Youth" 1976 nr 11, sida 44 - "Och Carnot förutsåg detta",

Litteratur

I.N. Nigmatulin, P.N. Shlyakhin, V.A. Tsenev. "Värmemotorer" / I. N. Nigmatulin. - Moskva: Högre skola, 1974. - 375 s.
A.L. Burov. Handledning för "Värmemotorer" . - Moskva: MGIU, 2008. - S. 214-219. — 224 sid. — ISBN 978-5-2760-1604-7 .
B.S. Stechkin. "Utvalda skrifter: Theory of Heat Engines" . - Moskva: Fizmatlit, 2001. - 432 s. — ISBN 5-9221-0101-3 .
E. L. Myshinsky, M. A. Ryzhkov-Dudonov. "Marina externa förbränningskolvmotorer (Stirlingmotorer)" . - Leningrad: "Skepsbyggnad", 1976. - 76 sid.
G.S. Zhiritsky. "Ångmaskiner" . - Moskva: "Gosenergoizdat", 1951. - 281 s.
V.S. Beniovich, G.D. Apazidi, A.M. Boyko. "Roto-kolvmotorer" / I. K. Ageev. - Moskva: "Engineering", 1968. - 151 s.
N.S. Khanin, S.B. Chistozvonov. "Roterande kolvmotorer för fordon" . - Moskva: MASHGIZ, 1964. - 184 sid.
Orir J. Fysik, hel kurs = Fysik av Jay Orear, Cornell University / per. från engelska. och vetenskaplig redigering av Yu. G. Rudogo och A. V. Berkov. - 2:a. - Moskva: "Förlag" KDU ", 2010. - S. 231-262. — 752 sid. - ISBN 978-5-98227-366-6 .