Принципи дії теплових двигунів
Щоб двигун робив роботу, необхідна різниця тисків по обидві сторони поршня двигуна або лопатей турбіни. У всіх теплових двигунах ця різниця тисків досягається за рахунок підвищення температури робочого тіла на сотні градусів у порівнянні з температурою навколишнього середовища. Таке підвищення температури відбувається при згорянні палива.
Робочим тілом у всіх теплових двигунів є газ (див. § 3.11), який здійснює роботу при розширенні. Позначимо початкову температуру робочого тіла (газу) через Т1. Цю температуру в парових турбінах або машинах набуває пар в паровому котлі. У двигунах внутрішнього згоряння і газових турбінах підвищення температури відбувається при згорянні палива усередині самого двигуна. Температуру Т1 називають температурою нагрівача.
роль холодильника
У міру здійснення роботи газ втрачає енергію і неминуче охолоджується до деякої температури Т2. Ця температура не може бути нижче температури навколишнього середовища, так як в противному випадку тиск газу стане менше атмосферного і двигун не зможе працювати. Зазвичай температура Т2 трохи більше температури навколишнього середовища. Її називають температурою холодильника. Холодильником є атмосфера або спеціальні пристрої для охолодження і конденсації відпрацьованої пари - конденсатори. В останньому випадку температура холодильника може бути трохи нижче температури атмосфери.
Таким чином, в двигуні робоче тіло при розширенні не може віддати всю свою внутрішню енергію на здійснення роботи. Частина енергії неминуче передається атмосфері (холодильнику) разом з відпрацьованою парою або вихлопними газами двигунів внутрішнього згоряння і газових турбін. Ця частина внутрішньої енергії безповоротно втрачається. Саме про це і говорить другий закон термодинаміки у формулюванні Кельвіна.
Принципова схема теплового двигуна зображена на малюнку 5.15. Робоче тіло двигуна отримує при згорянні палива кількість теплоти Q1, здійснює роботу А 'і передає холодильнику кількість теплоти | Q2 | <|Q1|.
Ккд теплового двигуна
Відповідно до закону збереження енергії робота, що здійснюються двигуном, дорівнює
де Q1 - кількість теплоти, отримана від нагрівача, a Q2 - кількість теплоти, віддане холодильника.
Коефіцієнтом корисної дії теплового двигуна називають відношення роботи А ', що здійснюється двигуном, до кількості теплоти, отриманого від нагрівача:
У парової турбіни нагрівачем є паровий котел, а у двигунів внутрішнього згоряння - самі продукти згоряння палива.
Так як у всіх двигунів деяку кількість теплоти передається холодильника, то η <1.
Застосування теплових двигунів
Найбільше значення має використання теплових двигунів (в основному потужних парових турбін) на теплових електростанціях, де вони надають руху ротори генераторів електричного струму. Близько 80% всієї електроенергії в нашій країні виробляється на теплових електростанціях.
Теплові двигуни (парові турбіни) встановлюють також на атомних електростанціях. На цих станціях для отримання пари високої температури використовується енергія атомних ядер.
На всіх основних видах сучасного транспорту переважно використовуються теплові двигуни. На автомобілях застосовують поршневі двигуни внутрішнього згоряння із зовнішнім утворенням горючої суміші (карбюраторні двигуни) і двигуни з утворенням горючої суміші безпосередньо всередині циліндрів (дизелі). Ці ж двигуни встановлюються на тракторах.
На залізничному транспорті до середини XX в. основним двигуном була парова машина. Тепер же головним чином використовують тепловози з дизельними установками і електровози. Але і електровози отримують енергію від теплових двигунів електростанцій.
На водному транспорті використовуються як двигуни внутрішнього згоряння, так і потужні турбіни для великих суден.
В авіації на легких літаках встановлюють поршневі двигуни, а на величезних лайнерах - турбогвинтові та реактивні двигуни, які також відносяться до теплових двигунів. Реактивні двигуни застосовуються і на космічних ракетах.
Без теплових двигунів сучасна цивілізація немислима. Ми не мали б дешеву електроенергію і були б позбавлені всіх видів сучасного швидкісного транспорту.