Топлинни двигатели — принципи, видове и термодинамични цикли
Принципи, видове и термодинамични цикли на топлинните двигатели — от Карно до бензинови, парни и турбинни: ясни обяснения, сравнения и приложения.
В техниката и термодинамиката топлинният двигател преобразува топлинната енергия в механична работа, като използва температурната разлика между горещ "източник" и студен "поглътител". Топлината се пренася от източника през "работното тяло" на двигателя до "поглътителя", като при този процес част от топлината се превръща в работа чрез използване на качествата на газа или течността в двигателя. Работното тяло може да бъде газ (например въздух или газове от горенето), пара или друг топлоносител — и в зависимост от това конструкцията и начинът на преобразуване се различават (цилиндър-поршнев механизъм, турбина и др.).
Съществуват много видове топлинни двигатели. Всеки от тях има термодинамичен цикъл, който описва последователността от процеси (нагряване, разширение, охлаждане, компресия), през които преминава работното тяло. Топлинните двигатели често се наричат по името на термодинамичния цикъл, който използват — например цикълът на Карно, цикълът на Отo (бензинови двигатели) или цикълът на Дизел. Те често приемат и популярни имена от ежедневието, като бензинови/бензинови, турбинни или парни двигатели.
Двигателите с вътрешно горене генерират топлина в самия двигател (чрез изгаряне на гориво). Други топлинни двигатели могат да абсорбират топлина от външен източник (например парни котли, слънчеви концентратори или реакторни системи). Топлинните двигатели могат да бъдат отворени към въздуха или херметизирани и затворени към външната среда (това се нарича отворен или затворен цикъл) — при отворените цикли работното тяло се подменя с околната среда, при затворените работното тяло циркулира в системата.
Принцип на действие
Основната идея е проста: трябва да има разлика в температурите между два резервоара. Част от топлинната енергия, пренесена от горещия резервоар към студения, може да бъде преобразувана в механична работа. Има няколко ключови компонента на повечето топлинни двигатели:
- Източник на топлина — доставя енергия (гориво, слънце, реактор и др.).
- Работно тяло — веществото, което преминава през термодинамични процеси (газ, пара, течност).
- Механизъм за преобразуване — бутала, турбини, компресори, които превръщат разширението/налягането на работното тяло в механична работа.
- Поглътител (студен резервоар) — където се отдава неизползваната топлина.
Основни видове топлинни двигатели
- Двигатели с вътрешно горене — бензинови (циклът на Отo) и дизелови двигатели (цикъл на Дизел). Характерни са за автомобили и много стационарни агрегати.
- Парни (парни турбини и парни котли) — използват вода/пара; класически пример са електроцентрали (цикълът на Ренкин).
- Газови турбини — използват цикъла на Брайтън (Brayton); често в авиацията и в енергетиката.
- Стърлингови двигатели — затворен цикъл с възстановяване на топлина (регенирация), работи тихо и с висока ефективност при малки температурни разлики.
- Реактивни и ракетни двигатели — преобразуват енергията от горенето в скорост на изхвърляне на газове; специфични за тласкане.
- Хибридни и комбинирани системи — комбинират различни цикли (например комбинирана газова турбина и парна турбина) за по-висок КПД и използване на отпадна топлина (когенерация).
Термодинамични цикли и КПД
Идеалният максимум за полезния добив от топлинен двигател е даден от цикъла на Карно и зависи само от температурите на източника (Th) и на поглътителя (Tc). Най-просто изразено, идеалният коефициент на полезно действие е:
η = 1 − Tc / Th (където температурите трябва да са в Келвини).
Пример: ако Th = 600 K и Tc = 300 K, идеалният η = 1 − 300/600 = 0.5 → 50%. На практика реалните двигатели имат по-нисък КПД заради триене, необратими термодинамични процеси, загуби при пренос на топлина и други неизбежни ефекти.
Отворени и затворени цикли
При отворените цикли (например по-голямата част от двигателите с вътрешно горене) работното тяло влиза в системата, преминава процесите и се изхвърля в околната среда. При затворените цикли (например Стърлинг или някои турбини с рециклиране на работно тяло) работното тяло циркулира вътре в системата и се използва многократно, което позволява по-добър контрол върху работните условия.
Практически съображения и приложения
При избора и проектирането на топлинни двигатели се вземат предвид наличното гориво или източник на топлина, изискванията за мощност, икономичност, емисии и надеждност. Модерните тенденции включват:
- Повишаване на ефективността чрез комбинирани цикли и рекуперация на топлина.
- Намаляване на вредните емисии чрез по-чисти горива, следене и каталитична обработка.
- Използване на възобновяеми и отпадни топлинни източници (соларни концентратори, геотермална енергия, отпадна топлина от промишлеността).
Топлинните двигатели остават ключова технология за производство на механична енергия и електричество, и продължават да се развиват с оглед на по-висока ефективност и по-ниско въздействие върху околната среда.
Фигура 1: Схема на топлинния двигател. TH е източникът на топлина, а TC - радиаторът на студ. QH е топлината, която постъпва в двигателя. QC е отпадната топлина, която отива в студения радиатор. W е полезната работа, която излиза от двигателя.
Преглед
Когато учените изучават топлинните двигатели, те предлагат идеи за двигатели, които всъщност не могат да бъдат създадени. Те се наричат идеални двигатели или цикли. Реалните топлинни двигатели често се бъркат с идеалните двигатели или цикли, които те се опитват да имитират.
Обикновено при описанието на физическото устройство се използва терминът "двигател". Когато се описва идеалното устройство, се използва терминът "цикъл".
Може да се каже, че термодинамичният цикъл е идеален случай на механичния двигател. Също така може да се каже, че моделът не съответства напълно на механичния двигател. Въпреки това опростените модели и идеалните случаи, които те представляват, носят много ползи.
Най-общо казано, колкото по-голяма е температурната разлика между горещия източник и студения радиатор, толкова по-ефективен е цикълът или двигателят. На Земята студената страна на всеки топлинен двигател е ограничена до температурата на въздуха на мястото, където се намира двигателят.
Повечето усилия за подобряване на ефективността на топлинните двигатели са насочени към повишаване на температурата на източника на топлина, но при много високи температури металът на двигателя започва да се размеква.
Ефективността на различните топлинни двигатели, предложени или използвани днес, варира от 3% (97% отпадна топлина) за предложението за океанска енергия на OTEC, през 25% за повечето автомобилни двигатели, до 45% за свръхкритична въглищна централа и около 60% за газова турбина с парово охлаждане и комбиниран цикъл. Всички тези процеси придобиват своята ефективност (или липса на такава) поради спада на температурата в тях.
Най-ниско ефективната технология, OTEC, използва разликата в температурата на океанската вода на повърхността и океанската вода от дълбочините - малка разлика от може би 25 градуса по Целзий, поради което ефективността трябва да е ниска.
Най-ефективната газова турбина с комбиниран цикъл изгаря природен газ за загряване на въздуха до почти 1530 градуса по Целзий, което представлява голяма температурна разлика от 1500 градуса по Целзий, така че ефективността може да бъде много голяма, когато се добави цикълът за охлаждане с пара.
Примери от ежедневието
Хората използват предимно топлинни двигатели, при които топлината идва от огън, който разширява работния флуид (обикновено вода или въздух), а топлоотдаващият елемент е или воден басейн, или атмосферата, както в охладителната кула.
Познатите двигатели, които използват разширяването на нагрети газове, са: парният двигател, дизеловият двигател и бензиновият двигател в автомобила.
Двигателят на Стърлинг е много по-рядък, но се среща в малки модели, които могат да работят с топлината на ръката.
Един от видовете топлинни двигатели за играчки е птицата за пиене.
Биметалната лента е устройство, което преобразува температурата в механично движение и се използва в термостати за регулиране на температурата. Това е топлинен двигател, който не използва течност или газ.
Свързани страници
- Термопомпа
Въпроси и отговори
Въпрос: Какво представлява топлинният двигател в техниката и термодинамиката?
О: Топлинният двигател е устройство, което преобразува топлинната енергия в механична работа, като използва температурната разлика между горещ "източник" и студен "поглътител".
В: Как работи топлинният двигател?
О: Топлината се пренася от източника през работното тяло на двигателя до поглътителя и в този процес част от топлината се превръща в работа, като се използват свойствата на газа или течността в двигателя.
В: Какви са термодинамичните цикли, свързани с топлинните двигатели?
О: Съществуват много видове топлинни двигатели, всеки от които има специфичен термодинамичен цикъл. Те се наричат по името на термодинамичния цикъл, който използват, например цикълът на Карно.
В: Кои са някои примери за топлинни двигатели, кръстени на предмети от ежедневието?
О: Някои примери за топлинни двигатели, кръстени на предмети от ежедневието, включват бензинови/бензинови двигатели, турбинни двигатели и парни двигатели.
В: Как двигателите с вътрешно горене генерират топлина?
О: Двигателите с вътрешно горене генерират топлина в самия двигател.
В: Могат ли топлинните двигатели да бъдат отворени към въздуха?
О: Да, топлинните двигатели могат да бъдат отворени към въздуха или запечатани и затворени отвън. Това се нарича отворен или затворен цикъл.
В: Всички ли топлинни двигатели абсорбират топлина от външен източник?
О: Не, докато някои топлинни двигатели могат да абсорбират топлина от външен източник, други могат да генерират топлина в самия двигател.
обискирам