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.
|
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 |
|
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.