Сборник Из опыта проектной деятельности учащихся гимназии №524 в 2012-2013 учебном году Санкт-Петербург 2013

Пузанов Николай, 10 Б класс

Исследовательский проект: «Тепловые двигатели и пути повышения их КПД»

В работе обосновывается необходимость применения циклических процессов при работе тепловых машин, как важнейшего способа повышения К.П.Д.

Задачи проекта:

• 
  сформулировать конкретные причины необходимости термодинамических циклов;
  
• 
  исследовать возможные циклы работы тепловых двигателей;
  
• 
  выяснить возможности создания идеального теплового двигателя;
  
• 
  рассмотреть разные способы повышения К.П.Д. тепловых двигателей и современные достижения в этой области.
  

Из книги Сади Карно «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу» – «...Природа, повсюду представляя горючий материал, дала нам возможность всегда и везде получать теплоту и сопровождающую ее движущую силу. Развивать эту силу и приспособлять ее для наших нужд - такова цель тепловых машин».

Большая часть двигателей на Земле – тепловые двигатели. Тепловые двигатели – это устройства, превращающие внутреннюю энергию топлива в механическую.

Первое известное устройство, которое можно было бы назвать тепловым двигателем, приводимое в движение паром, было описано Героном Александрийским в первом столетии нашей эры. Пар, выходящий по касательной из сопел, закреплённых на шаре, заставлял последний вращаться. Паровой поток в этих паровых турбинах был не концентрированным, и большая часть его энергии рассеивалась во всех направлениях, что приводило к значительным потерям энергии.

Однако дальнейшее развитие тепловых двигателей требовало экономических условий, в которых разработчики могли бы воспользоваться их результатами. В конце 17-го столетия одним из опытов французского физика и изобретателя Дени Папена было создание вакуума в закрытом цилиндре. В дальнейшем именно Папен стал считаться изобретателем парового котла, проложив таким образом путь к паровому двигателю Ньюкомена.

Первая в России двухцилиндровая вакуумная паровая машина была спроектирована механиком И. И. Ползуновым в 1763 году и построена в 1764 году для приведения в действие воздуходувных мехов на Барнаульских Колывано-Воскресенских заводах.

Однако, паровые двигатели имели существеннейший недостаток - огромную массу при низком КПД. Это заставило учёных XIX века активно работать в области разработки и построения двигателя лишённого этих недостатков.

Как следует из первого закона термодинамики, полученное газом количество теплоты Q полностью превращается в работу A при изотермическом процессе, при котором внутренняя энергия остается неизменной (ΔU = 0):

A = Q.

Но такой однократный акт преобразования теплоты в работу не представляет интереса для техники. Поршень, выведенный из начального положения необходимо вернуть обратно. Если эту работу будет проделывать другой аппарат, то данная машина будет не выгодна с энергетической точки зрения. Полезная работа по движению поршня рабочим телом будет нивелироваться работой другого аппарата. В этом случае в тепловом двигателе смысла нет, так как фактически совершается две работы. Реально существующие тепловые двигатели (паровые машины, двигатели внутреннего сгорания и т. д.) работают циклически. Процесс теплопередачи и преобразования полученного количества теплоты в работу периодически повторяется. Для этого рабочее тело должно совершать круговой процесс или термодинамический цикл, при котором периодически восстанавливается исходное состояние. Круговые процессы изображаются на диаграмме (p, V) газообразного рабочего тела с помощью замкнутых кривых, как изображено на Рисунке 1 снизу. При расширении газ совершает положительную работу A1, равную площади под кривой abc, при сжатии газ совершает отрицательную работу A2, равную по модулю площади под кривой cda. Полная работа за цикл A = A1 + A2 на диаграмме (p, V) равна площади цикла. Работа A положительна, если цикл обходится по часовой стрелке, и A отрицательна, если цикл обходится в противоположном направлении.

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 температурой происходит при сгорании топлива.

Одна из основных частей двигателя – сосуд, наполненный газом, с подвижным поршнем. Рабочим телом у всех тепловых двигателей является газ, которой совершает работу при расширении. Обозначим начальную температуру рабочего тело (газа) через Т1. Эту температуру в паровых турбинах или машинах приобретает пар в паровом котле. В двигателях внутреннего сгорания и газовых турбинных повышение температуры происходит при сгорании топлива внутри самого двигателя. Температуру Т1 называют температурой нагревателя.

Поскольку движение поршня при расширении газа ограничено размерами цилиндра, то при продолжительной работе двигателя поршень должен периодически возвращаться в исходное состояние. Таким образом, любой тепловой двигатель должен работать по циклу. Подобные двигатели называют циклическими тепловыми двигателями.

Но такой однократный акт преобразования теплоты в работу не представляет интереса для техники. Реально существующие тепловые двигатели (паровые машины, двигатели внутреннего сгорания и т. д.) работают циклически

По мере совершения работы газ теряет энергию и неизбежно охлаждается до некоторой температуры Т2, которая обычно несколько выше температуры окружающей среды. Её называют температурой холодильника. Холодильником является атмосфера или специальные устройства для охлаждения и конденсации отработанного пара – конденсаторы. В последнем случае температура холодильника может быть немного ниже температуры атмосферы.

Таким образом, в двигателе рабочее тело при расширении не может отдать всю свою внутреннюю энергию на совершение работы. Часть теплоты неизбежно передается холодильнику (атмосфере) вместе с отработанным паром или выхлопными газами двигателей внутреннего сгорания и газовых турбин. Эта часть внутренней энергии теряется.

Тепловой двигатель совершает работу за счет внутренней энергии рабочего тела. Причем в этом процессе происходит передача теплоты от более горячих тел (нагревателя) к более холодным (холодильнику).

Рабочее тело двигателя получает от нагревателя при сгорании топлива количество теплоты Q1, совершает работу А’ и передает холодильнику количество теплоты Q2 < Q1.

Во всех тепловых двигателях происходит преобразование тепловой энергии, связанной с движением микрочастиц, составляющих вещество, в механическую энергию. Устройства тепловых двигателей непрерывно совершенствуются, поэтому какие-либо конкретные двигатели не будут рассмотрены. Однако принципиальные узлы устройств практически остаются неизменными, именно они и будут рассмотрены в данной главе.

Все тепловые двигатели можно разделить на два класса – турбинные и поршневые. В турбинных двигателях тепловая энергия вначале преобразуется в кинетическую энергию газовой струи, для чего используются сопла, через которые расширяется горячий газ.

Универсального наилучшего двигателя нет, каждый тип обладает определенными достоинствами и недостатками в зависимости от критериев, по которым мы производим оценку. Каковы же эти критерии?

1. Экономичность — получение наибольшей полезной работы при наименьшем количестве топлива. Эта величина характеризуется понятием КПД. Наиболее экономичными являются дизельные двигатели.

2. 
   Максимально достижимая мощность. По этому показателю выде­ляются турбинные двигатели
   
3. 
   Мощность на единицу веса. В тех случаях, когда двигатель не устанавливается стационарно, как паровая турбина на теплоэлектростанции, а движется вместе с экипажем, этот показатель оказывается весьма важным. Наиболее экономичные дизельные двигатели по этому параметру проигрывают двигателям с системой зажигания. Поэтому дизельные двигатели используют на достаточно больших движущихся экипажах — большие суда, тепловозы, тракторы, большегрузные авто­мобили.
   
4. 
   Универсальность топлива. Возможно, этот показатель в бли­жайшее время окажется весьма важным, поскольку запасы нефти истощаются быстрее, чем запасы угля. По этому показателю выгодно отличаются двигатели, где используют водяной пар, — паровые турби­ны. Паровые поршневые двигатели ввиду их низкого КПД в настоящее время практически не встречаются. Однако в силу вышеприведенных причин не исключено, что внимание конструкторов вновь обратится паровым двигателям.
   
5. 
   Износ механизмов. Все поршневые двигатели работают в пуль­сирующем режиме, поэтому износ механизмов в них происходит быст­рее, чем в турбинных двигателях. Мерой эффективности двигателя является коэффициент полезного действия (КПД) двигателя. По определе­нию, КПД есть отношение работы, произведенной двигателем, к теп­ловой энергии (теплу), полученной за время выполнения этой работы. Обозначают КПД обычно греческой буквой η (эта).
   

КПД является безразмерной физической величиной, т. е. его мож­но выражать просто числом. Однако часто КПД выражают в процентах. Значение КПД в процентах есть просто 100η.

В каких пределах может находиться КПД теплового двигателя? Уже из закона сохранения энергии следует, что η < 1 (КПД меньше 100%). Но тогда бы вечный двигатель имел бы бесконечный КПД. Но насколь­ко близко можно подойти к 100%?

Для непрерывного совершения механической работы термодинамический цикл должен быть замкнутым. Замкнутый процесс (цикл) – совокупность термодинамических процессов, в результате которых система возвращается в исходное состояние. Замкнуты (круговые) процессы используются при работе всех тепловых машин: двигателей внутреннего сгорании, паровых и газовых турбин, холодильных машин. Для оценки эффективности преобразования внутренней энергии газа в механическую работу, совершаемую за цикл, вводится коэффициент полезного действия (КПД – отношение работы, совершаемой двигателем за цикл, к количеству теплоты, полученному от нагревателя). КПД всегда меньше единицы. Круговой цикл не реализуется при отсутствии холодильника, т.е. при Q2 = 0.

Коэффициент полезного действия указывает, какая часть тепловой энергии, полученной рабочим телом от «горячего» теплового резервуара, превратилась в полезную работу. Остальная часть (1 – η) была «бесполезно» передана холодильнику. Коэффициент полезного действия тепловой машины всегда меньше единицы (η < 1).

Идеальный тепловой двигатель — это такой двигатель, в котором все процессы могут быть проведены обратимым образом и так, что в каждый момент его состояние являлось бы равновесным. КПД любого теплового двигателя не может превосходить КПД идеального теплового двигателя при данных температурах нагревателя и охлаждающего тела.

Идеальная тепловая машина — машина, в которой произведённая работа и разница между количеством подведённого и отведённого тепла равны. Работа идеальной тепловой машины описывается циклом Карно.

В начале XIX в. в технике приобретали все большее значение и большее значение тепловые двигатели. Паровая машина, изобретенная ещё XVIII в., внедряется в промышленности и на транспорте. В связи с этим одной из важнейших проблем первой половины XIX в. становится вопрос об усовершенствовании тепловых машин. Нужно было выяснить, от каких условий зависит их экономичность. Зависит ли она от температуры пара, устройства машины и т.д. Словом, нужно было создать теорию этих машин, была работа французского ученого и инженера С.Карно, который впервые поставил вопрос о процессе превращения теплоты в работу.

Именно Карно доказал, что «движущая сила тепла» зависит только от температуры нагревателя и холодильника. При этом под движущей силой тепла.

Основная идея Карно состоит в том, что тепловая машина производит работу не за счет только поглощения тепла, а благодаря его передаче от источника тепла — нагревателя, находящегося при температуре Т1, к холодильнику, находящемуся при темпе­ратуре Т2< Т1,т е. от более нагретого тела к менее нагретому.

С. Карно впервые разработал метод циклов. Цикл - это последовательность про­цессов, которые возвращают в конечном счете всю систему участвующих в них тел в перво­начальное состояние. Метод циклов оказал и продолжает оказывать большое влияние на развитие термодинамики. Выясняя, при каком замкнутом процессе тепловой двигатель будет иметь максимальный КПД, предложил использовать цикл, состоящий из двух изотермических и двух адиабатных процессов. Выбор именно этих процессов обусловлен тем, что работа газа при изотермическом расширении совершается за счет внутренней энергии нагревателя, а при адиабатном процессе за счет внутренней энергии расширяющего газа. В этом цикле контакт тел с разной температурой, а значит, исключена теплопередача без совершения работы.

Цикл Карно – самый эффективный (из всех возможных) цикл, имеющий максимальный КПД.

КПД идеальной машины:

является функцией только двух температур, не зависит от устройства машины и вида топлива.

Закон сохранения энергии или первое начало термодинамики не за­прещает иметь КПД, равный единице. Но если бы удалось изобрести такой двигатель, он был бы практически вечным. Действительно, мож­но было бы, например, взять тепловую энергию у океана, слегка его охладив, и перевести ее в работу. В конечном итоге большая часть этой работы через посредство сил трения опять перейдет в тепло, которое передастся океану. Подобный гипотетический двигатель был назван вечным двигателем второго рода.

Однако в науке термодинамике есть не только первое начало, но и второе начало. Именно оно запрещает существовать вечному двигателю второго рода. То есть двигателю, работа которого осуществляется за счёт охлаждения уже более холодного тела.