СХЕМА РАСШИРИТЕЛЬНОЙ МАШИНЫ ТЕПЛОВОГО ДВИГАТЕЛЯ

В современных условиях реализовать в тепловом двигателе идеальный Цикл Карно не представляется возможным. Это обусловлено рядом условий протекания цикла, выполнить которые с технической точки зрения почти невозможно.

Первое условие заключается в том, что все процессы в цикле Карно протекают равновесно, т. е. обратимо. Так, температура рабочего тела в изотермическом процессе 1-2 (рис. 8.12) отличается от температуры нагревателя на бесконечно малую величину

^нагр ^раб. тела * +0.

Аналогично, в изотермическом процессе 3-4 температура холодильника меньше температуры рабочего тела тоже на бесконечно малую величину

TXOJl Граб, тела * 0*

В реальных условиях такое протекание цикла обеспечить невозможно.

Вместе с тем, нет таких источников и приемников тепловой энергии, которые в процессе обмена энергией с рабочим телом поддерживали бы свою температуру постоянной, т. е. были бы термостатами.

По этой причине учеными и инженерами были обоснованы циклы, ко­торые обладают максимально возможной эффективностью преобразования энергии из тепловой формы в механическую форму. При их обосновании допущена некоторая идеализация, что облегчает получение результатов на количественном и качественном уровне. Идеализированные циклы тоже трудно реализовать в тепловых двигателях, но они наиболее близки к реальным циклам. Описание и изучение действительных циклов базируется на свойствах идеализированных циклов.

Чтобы тепловой двигатель периодически (циклически) преобразовывал энергию из тепловой в механическую форму, необходимо периодически возвращать рабочее тело в исходное состояние. Это делается с помощью расширительной машины и приемника энергии в тепловой форме (холо­дильника).

Преобразовав энергию из тепловой в механическую форму в процессе расширения рабочего тела 1-2-3 (рис. 8.12), часть этой энергии в ме­ханической форме в дальнейшем необходимо затратить на возвращение рабочего тела в исходное состояние (осуществить процесс сжатия 3-4-1).

Таким образом, процессы подвода и отвода энергии от рабочего тела, а также перемещение поршня расширительной машины должны быть взаимно согласованы. Энергия в поршне не накапливается, поэтому са­мостоятельно поршень не может возвратить рабочее тело в исходное со­стояние. Для сжатия рабочего тела поршень должен обладать запасом энергии в механической форме. Эту энергию он может получить от других тел окружающей среды. Для этого ему необходимо взаимодействовать с этими телами в механической форме. При расширении рабочего тела энергия в механической форме отводится от него в окружающую среду через поршень и накапливается внешними телами. Например, поршень может поднять груз, растянуть пружину, что приведет к увеличению потенциальной энергии этих тел. Поршень также может вращать тела окружающей среды, что приведет к увеличению кинетической энергии этих тел. Следовательно, поршень расширительной машины должен быть связан с телами окружающей среды, способными накапливать энергию в механической форме, и в необходимый момент отдавать ее обратно поршню, а через него — рабочему телу. Вариант такого двигателя показан на рис. 9.1.

Энергия в тепловой форме передается от нагревателя к рабочему телу. Внутренняя энергия рабочего тела увеличивается, поэтому увеличиваются его температура и давление. Так как давление рабочего тела увеличивает­ся, сила, приложенная к поршню со стороны рабочего тела, тоже увели­чивается. Когда сила, приложенная к поршню со стороны рабочего тела, превысит силу, приложенную к поршню, то со стороны груза, поршень будет перемещаться вправо, поднимая груз вверх. Потенциальная энергия груза увеличится, а внутренняя энергия рабочего тела уменьшится.

После поднятия груза подвод энергии в тепловой форме к рабочему телу прекращают и приводят его в контакт с холодильником, в результате чего внутренняя энергия рабочего тела уменьшится. Это, в свою очередь, вызовет уменьшение его давления и температуры. Из-за уменьшения дав­ления уменьшается сила, действующая на поршень со стороны рабочего тела. Энергия в механической форме от груза передается поршню, а от него к рабочему телу. Поршень перемещается влево, сжимая рабочее тело. В некоторый момент времени прекращают контакт между рабочим телом и холодильником. Рабочее тело сжимается под действием силы, приложенной к нему со стороны поршня. Однако для сжатия рабочего тела затрачивается меньше энергии в механической форме, чем получено в процессе расширения. Часть энергии в механической форме может быть отведена от блока и использована для производственных или других нужд.

Представленная на рис. 9.1 схема теплового двигателя не является совершенной, поэтому практического применения не получила. Основной ее недостаток — колебательное движение груза и блока. Возвратно-по­ступательное движение поршня обуславливает возвратно-поступательное движение груза.

Возвратно-поступательное движение является прерывистым движени­ем, что обуславливает возникновение значительных сил инерции в проме­жуточных элементах привода. Это движение является неравномерным.

Более универсальным видом движения является вращательное движе­ние. Промежуточные элементы тепловой машины не нагружаются значи­тельными силами инерции. Вращательное движение в необходимых случа­ях может быть преобразовано в возвратно-поступательное движение.

В процессе развития технической мысли были созданы механизмы, пре­образующие возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение выходного элемента расширительной машины. В настоящее вре­мя такие преобразователи движения называют кривошипно — шатунными механизмами.

Вариант теплового двигателя, расширительная машина которого содер­жит кривошипно-шатунный механизм, показан на рис. 9.2.

При расширении рабочее тело прикладывает усилие Р к поршню. Это усилие от поршня передается на палец, соединяющий поршень с шатуном. Усилие Р можно разложить по правилу параллелограмма на две составля­ющие:

• силу Рш, направленную вдоль оси шатуна;

• силу ЛГ, направленную перпендикулярно оси цилиндра.

Сила N прижимает поршень к стенке расширительной машины (ци­линдра). Так как стержень шатуна является жестким элементом, сила Рт Передается на коленчатый вал. Сила Рт на плече H создает вращающий момент МкР, равный

Мкр = Рш/1. (9.1)

Вместе с коленчатым валом вращается маховик, кинетическая энергия которого равна

Кэ = ^, (9.2)

Где I — осевой момент инерции маховика; и — угловая скорость маховика.

СХЕМА РАСШИРИТЕЛЬНОЙ МАШИНЫ ТЕПЛОВОГО ДВИГАТЕЛЯ

Нагреватель

Q Подвод энергии в ^ тепловой форме

П Отвод энергии в 2 тепловой форме?

‘Отвод энергии в

Холодильник

Рис. 9.2. Схема расширительной машины с кривошипношатунным механизмом

ЩЧЖ ‘.у А

СХЕМА РАСШИРИТЕЛЬНОЙ МАШИНЫ ТЕПЛОВОГО ДВИГАТЕЛЯ

1 давления ‘ рабочего тела

\Нагревателъ

Рис. 9.1. Конструктивная схема теплового двигателя

Маховик выполняет две основные функции:

• обеспечивает равномерное вращение коленчатого вала при неравномер­ном движении поршня. Это важно, так как связанные с коленчатым валом элементы машин и механизмов при неравномерном движении могут быстро выйти из строя;

• возвращает поршень расширительной машины в исходное состояние при сжатии рабочего тела. В этом случае он выступает в роли накопителя энергии в механической форме, необходимой для сжатия рабочего тела в расширительной машине.

Большая часть энергии в механической форме отбирается от махови­ка для производственных нужд, а меньшая часть энергии возвращается обратно рабочему телу.

Ваш отзыв

Рубрика: Основы теории тепловых процессов и машин

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *