СВЕЖИЙ НОМЕР
Новости ИР
Наши лауреаты
ЖУРНАЛ «ИЗОБРЕТАТЕЛЬ И РАЦИОНАЛИЗАТОР»
О перспективе увеличения КПД поршневых тепловых машин
По всей планете ученые и изобретатели ищут новые подходы к созданию мощных, экономичных и экологических моделей тепловых машин, однако, эти поиски пока не увенчались успехом. Общим технологическим недостатком известных тепловых машин (паровые поршневые двигатели, двигатели внутреннего сгорания, газовые и паровые турбины, ракетные двигатели) является необходимость передачи в окружающую среду большей части тепла, подведенного в цикл тепловой машины, поэтому они имеют низкий КПД и экономичность.
Напомню читателю, что газ или пар (рабочее тело) при нагревании расширяется, а при охлаждении сжимается, в результате принудительного сжатия, например, в цилиндре при помощи поршня рабочее тело нагревается, а во время расширения охлаждается. Однако, при расширении газа в пустоту (вакуум) его температура не меняется, потому что в процессе этого расширения внутренняя энергия газа не расходуется на совершение работы. Следует еще отметить, что только обратимые термодинамические процессы являются наиболее экономичными и приводят к максимальному значению термического коэффициента полезного действия тепловых двигателей.
Обратимый процесс (то есть равновесный) – термодинамический процесс, который может проходить как в прямом, так и в обратном направлении, проходя через одинаковые промежуточные состояния. При этом система возвращается в исходное состояние без затрат энергии, а в окружающей среде не происходит микроскопических изменений. Естественно, что такой цикл работы тепловой машины осуществить в реальности невозможно, но можно проводить процессы в разных направлениях. Если нагревание и расширение рабочего тела считать прямым термодинамическим процессом, то его охлаждение и сжатие можно назвать обратным.
В известных поршневых тепловых машинах (паровые двигатели, ДВС) используется процесс, который проходит только в прямом направлении, да и то не в полной мере. Например, отработавший пар в паровых двигателях под сравнительно высоким давлением выпускается напрямую в атмосферу или поступает в специальный конденсатор (холодильник). Остаточное тепло, отведенное из конденсатора, может быть использовано для обогрева помещений или транспортных средств, а также для предварительного подогрева воды, поступающей в котел двигателя. Однако во время выпуска пара безвозвратно тратится часть энергии на преодоление сопротивления давления окружающей среды. Кроме того, происходит охлаждение цилиндра и поршня, что также приводит к потере тепловой энергии, так как при дальнейшей работе двигателя значительное количество теплоты затрачивается на нагрев вышеназванных деталей.
Я считаю, что если производить тепловые машины, использующие в цикле работы не только прямой, но и обратный термодинамический процесс, то удастся сэкономить 20-30% топлива и значительно уменьшить количество вредных веществ, выбрасываемых в атмосферу. У меня возник ряд технических решений, с которыми я хочу ознакомить читателей.
1. Регенеративный преобразователь энергии газообразного теплоносителя в механическую работу.
Устройство содержит (Рис. 1,2,3) цилиндр 1 с поршнем 2, шарнирно связанным посредством приводного механизма 3 с коленчатым валом 4, на котором установлен маховик 5. Полость цилиндра 1 соединена с источником газообразного теплоносителя (на рис. не показан) посредством входной трубы 6 с клапаном 7. В нижней части цилиндра 1 выполнено выпускное окно 8, которое посредством патрубка 9 соединяется с полостью камеры 10 охладителя, отвод теплоты из которой производится при помощи теплообменника 11. Данная камера соединяется с атмосферой при помощи выхлопной трубы 12 через клапан 13 сброса.
Преобразователь работает следующим образом. Цикл работы имеет два такта – расширение и сжатие, которые осуществляются во время хода поршня от верхней мертвой точки (ВМТ) к нижней мертвой точке (НМТ) и обратно. Допустим, что источником горячего теплоносителя является резервуар, заполненный рабочим телом, в качестве которого используется горячий сжатый воздух. Когда поршень 2 находится в ВМТ, открывается впускной клапан 7, сжатый воздух поступает в полость цилиндра 1 и оказывает давление на поршень 2, который двигается вниз, приводя во вращение коленчатый вал 4 с маховиком 5 посредством приводного механизма 3 (Рис.1). В это время при помощи теплообменника 11 продолжается отвод теплоты от рабочего тела, который находится в камере охладителя 10 после окончания предыдущего цикла. При приближении поршня 2 к НМТ впускной клапан 7 закрывается, а при дальнейшем движении поршня 2 открывается окно 8, которое перекрывалось ранее корпусом поршня.
Затем сжатый воздух через открытое окно 8 и через патрубок 9 направляется в полость камеры 10 охладителя и продолжает там расширяться. Следует заметить, что объем данной камеры рассчитан на полное расширение рабочего тела, находящегося в полости цилиндра 1 в сжатом состоянии. Сначала горячий воздух расширяется в вакуум, который образуется к этому времени в полости камеры охладителя, поэтому температура внутри данной термодинамической системы остается почти неизменной.
Когда давление в полости камеры 10 охладителя становится выше атмосферного давления, открывается клапан 13 сброса (Рис.2), через который осуществляется выброс охлажденного воздуха в атмосферу через выхлопную трубу 12. В ходе этого процесса часть тепловой энергии расходуется на преодоление сопротивления давления окружающей среды, однако, большая часть теплоты остается в системе. В то время, когда давление в полости камеры 10 охладителя становится равным атмосферному давлению, клапан 13 сброса закрывается. Далее, за счет вращения коленчатого вала при помощи маховика 5 поршень 2 движется от НМТ к ВМТ, поэтому окно 8 перекрывается корпусом поршня, а тепло, которое остается в камере 10 охладителя, начинает отводиться от оставшегося там воздуха при помощи теплообменника 11. Во время приближения поршня 2 к ВМТ температура рабочего тела в камере 10 охладителя понижается, а горячий воздух, оставшийся в цилиндре 1, сжимается поршнем 2 в верхней части цилиндра, поэтому он нагревается (Рис. 3). Степень сжатия рассчитывается так, что температура рабочего тела к концу такта становится приблизительно равной температуре воздуха во впускной трубе 6. Во время нахождения поршня в ВМТ открывается впускной клапан 7 и цикл повторяется.
Таким образом, в данном устройстве осуществляется не только прямой, но и обратный термодинамический процесс, в результате чего в полости камеры охладителя (холодильника) образуется вакуум, за счет которого в термодинамической системе сохраняется большое количество теплоты, часть которой регенерируется и используется для нагрева основных деталей устройства. Кроме того, при помощи теплообменника из системы отводится много тепла (в разы больше, чем в традиционном двигателе), которое можно использовать для обогрева помещений и предварительного прогрева рабочего тела.
2. Компаундный двигатель внутреннего сгорания с регенерацией теплоты.
Для увеличения КПД тепловых машин ученые и изобретатели предлагают использовать цикл с продолженным расширением, что позволяет значительно повысить степень расширения продуктов сгорания по сравнению со степенью сжатия рабочего тела. Для осуществления данного цикла советуют использовать компаундные двигатели (англ. compound– составной), которые имеют два (или более) рабочих цилиндра разного диаметра. Например, на выставке «EngineEXPO 2009» британская фирма «IlmorEngineering» представила публике трехцилиндровый компаундный ДВС, в котором инженеры задействовали классическую схему работы двигателя с продолженным расширением. Два крайних цилиндра такого устройства работаю по обычному четырехтактному циклу, средний (расширительный) имеет больший диаметр, чем крайние, а его поршень совершает рабочий ход за счет остаточного давления отработавших газов в малых цилиндрах. Я считаю, что автор идеи и разработчики данной конструкции допустили ошибку, установив в расширительном цилиндре выпускные клапаны. В данном устройстве во время выпуска отработавших газов остывают не только расширительный цилиндр и его поршень, охлаждаются соединительные патрубки, а это ведет к большим потерям тепловой энергии. Уверен, что по этой причине инженерам фирмы не удалось достичь поставленной цели – создать двигатель, у которого коэффициент полезного действия значительно выше, чем у традиционного ДВС, думаю, что поэтому до сих пор не налажено массовое производство такого устройства.
Я нашел конструктивное решение, которое позволит в значительной степени повысить тепловое КПД двигателей такого типа. Устройство содержит (Рис. 4,5,6,7) рабочий цилиндр 1 с поршнем 2, расширительный цилиндр 3 с поршнем 4, рабочий цилиндр 5 с поршнем 6, коленчатый вал 7 отбора мощности, с которым связаны поршни 2, 4 и 6 при помощи, например, шатунов, соответственно, 8, 9 и 10. При этом вал 7 выполнен со смещением колен рабочих цилиндров 1 и 5 на 180º относительно колена расширительного цилиндра 3 для установки поршней 2 и 6 в противофазе с поршнем 4. Поршни 2 и 6 установлены синфазно, что позволяет осуществлять в рабочих цилиндрах 1 и 5 четырехтактный рабочий процесс ДВС со сдвигом по тактам относительно друг друга на 360º угла поворота коленчатого вала 7. Рабочие цилиндры 1 и 5 снабжены впускными клапанами 11 и 12 и выпускными клапанами 13 и 14. Расширительный цилиндр 3 связан с рабочими цилиндрами 1 и 5 посредством перепускных каналов, соответственно, 15 и 16 с установленными в них перепускными клапанами 17 и 18. Устройство содержит также камеру 19 охладителя с теплообменником 20, которая соединена с расширительным цилиндром 3 посредством соединительного канала 21 и окна 22, выполненного в нижней части расширительного цилиндра 3. Кроме того, камера 19 охладителя связана с атмосферой при помощи выхлопной трубы 23 с установленным в ней клапаном 24 сброса.
Двигатель работает следующим образом. В то время, когда в одном из рабочих цилиндров, например, в цилиндре 1 заканчивается такт «рабочий ход», а в рабочем цилиндре 5 подходит к концу такт «впуск», в верхней части расширительного цилиндра 3 и перепускном канале 15 посредством поршня 4 осуществляется сжатие оставшихся там горячих продуктов горения (Рис. 4). Степень сжатия в расширительном цилиндре рассчитывается таким образом, чтобы температура газа в конце такта сжатия была приблизительно равной температуре рабочего тела в рабочем цилиндре 1 в конце такта расширения. Когда поршни 2 и 6 рабочих цилиндров приближаются к НМТ, впускной клапан 12 рабочего цилиндра 5 закрывается, а выпускной клапан 13 рабочего цилиндра 1 открывается (Рис. 5). Далее, в рабочем цилиндре 5 начинается такт «сжатие», а продукты горения из рабочего цилиндра 1 перепускаются в полость расширительного цилиндра 3 через выпускной клапан 13, перепускной канал 15 и перепускной клапан 17, в результате давление внутри данных цилиндров уравновешивается. Так как диаметр расширительного цилиндра больше диаметра рабочего цилиндра, сила давления на поршень 4 оказывается большей, чем сила давления на поршень 2. Поэтому поршень 4 расширительного цилиндра под действием этой силы движется к НМТ, вращая при помощи шатуна 9 коленчатый вал 7, при этом в рабочем цилиндре 5 происходит такт «сжатие»
Следует заметить, что во время работы двигателя от продуктов горения, находящихся в полости камеры 19 охладителя, постоянно отводится тепло посредством теплообменника 20, в результате чего в камере происходит сжатие и разрежение газов (образуется вакуум). Когда поршень 4 начинает приближаться к НМТ, открывается окно 22, которое ранее перекрывалось корпусом последнего (Рис. 6). Через это окно и соединительный канал 21 продукты горения проникают в полость камеры 19 охладителя, продолжая там расширяться (происходит расширение газа в пустоту). Как только давление внутри камеры становится выше атмосферного давления, открывается клапан 24 сброса, через который в выхлопную трубу 23 выбрасываются отработавшие газы.
При достижении равности давлений внутри и снаружи камеры 19 охладителя клапан 24 сброса закрывается, поршень 4 начинает двигаться к ВМТ и перекрывает своим корпусом окно 22, выпускной клапан 13 и перепускной клапан 17 закрываются, а впускной клапан 11 рабочего цилиндра 1 и перепускной клапан 18 открываются (Рис. 7). При дальнейшей работе двигателя в рабочем цилиндре 5 осуществляется такт «рабочий ход», в рабочем цилиндре 1 – такт «впуск», а продукты горения, оставшиеся в расширительном цилиндре 3 начинают сжиматься поршнем 4 в верхней части данного цилиндра и в перепускном патрубке 18.
Далее цикл повторяется с участием рабочего цилиндра 5, как источника остаточного давления.
Такой двигатель можно строить на основе существующего четырехцилиндрового ДВС путем его модификации, которая заключается в том, что полости средних цилиндров соединяются между собой при помощи канала 1 (Рис. 8). Свечи зажигания и выпускные клапаны из данных цилиндров удаляются, а в нижней их части выполняется как минимум одно окно 2, которое посредством соединительного канала 3 подключается к камере охладителя 4. Главным отличием этих двигателей от существующих тепловых машин является то, что в них имеется устройство, при помощи которого осуществляется утилизация тепловой энергии, которая обычно выбрасывается в атмосферу вместе с отработавшим рабочим телом.
ДВС такой конструкции работает в обычном четырехтактном режиме с той разницей, что выпуск продуктов горения из цилиндра 1 осуществляется в полость камеры охладителя 6 через выпускной клапан 4 и соединительный канал 5. Так как в камере охладителя установлен теплообменник 7, от газов, находящихся в камере охладителя, постоянно отводится тепло, продукты горения охлаждаются и за счет этого сжимаются. В результате данного процесса в полости последней образуется вакуум, поэтому в такте «выпуск» происходит расширение газов в пустоту.
Такое конструктивное решение позволит в значительной мере увеличить тепловой КПД установки.
На основе вышеописанных устройств можно производить мини-ТЭЦ, которым найдется широкое применение. Такие энергетические установки можно будет размещать, например, в станциях для зарядки электромобилей, а также использовать их для обеспечения электроэнергией и теплом небольших поселков микрорайонов. Главное, что в этом случае значительно снизится прямой выброс теплоты и вредных веществ в атмосферу, а также уменьшится потребление горючего.
Физика. 10 класс
Конспект урока
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;
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).
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.
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 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.
Q1 – количество теплоты полученное от нагревания 
Q2 – 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 Т1, и холодильником с температурой Т2, 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
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%?
Запишем формулу для расчёта КПД теплового двигателя:
Работу двигателя, можно найти, зная время работы и среднюю мощность двигателя:
Количество теплоты, выделяющееся при сгорании бензина, находим по формуле:
Учитывая всё это, мы можем записать:
Время работы двигателя можно найти по формуле:
Из формулы КПД выразим среднюю мощность:
.
Подставим числовые значения величин:
После вычислений получаем, что N=60375 Вт.
2. Тепловая машина имеет КПД 25 %. Средняя мощность передачи теплоты холодильнику составляет 4 кВт. Какое количество теплоты рабочее тело получает от нагревателя за 20 с?
Дано: ɳ = 25%, N = 4000 Вт, t = 20 с.
= 
– это количество теплоты, отданное холодильнику