Autoservice-mekona.ru

Автомобильный журнал
2 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

В каком тепловом двигателе при совершении работы

В каком тепловом двигателе при совершении работы

Тепловым двигателем называется устройство, способное превращать полученное количество теплоты в механическую работу. Механическая работа в тепловых двигателях производится в процессе расширения некоторого вещества, которое называется рабочим телом . В качестве рабочего тела обычно используются газообразные вещества (пары бензина, воздух, водяной пар). Рабочее тело получает (или отдает) тепловую энергию в процессе теплообмена с телами, имеющими большой запас внутренней энергии. Эти тела называются тепловыми резервуарами .

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

.

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 . 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 () газообразного рабочего тела с помощью замкнутых кривых (рис. 3.11.1). При расширении газ совершает положительную работу , равную площади под кривой , при сжатии газ совершает отрицательную работу , равную по модулю площади под кривой . Полная работа за цикл на диаграмме () равна площади цикла. Работа положительна, если цикл обходится по часовой стрелке, и отрицательна, если цикл обходится в противоположном направлении.

Общее свойство всех круговых процессов состоит в том, что их невозможно провести, приводя рабочее тело в тепловой контакт только с одним тепловым резервуаром. Их нужно, по крайней мере, два. Тепловой резервуар с более высокой температурой называют нагревателем , а с более низкой – холодильником . Совершая круговой процесс, рабочее тело получает от нагревателя некоторое количество теплоты и отдает холодильнику количество теплоты . Полное количество теплоты , полученное рабочим телом за цикл, равно

.

При обходе цикла рабочее тело возвращается в первоначальное состояние, следовательно, изменение его внутренней энергии равно нулю (). Согласно первому закону термодинамики,

.

Отсюда следует:

.

Коэффициент полезного действия указывает, какая часть тепловой энергии, полученной рабочим телом от «горячего» теплового резервуара, превратилась в полезную работу. Остальная часть () была «бесполезно» передана холодильнику. Коэффициент полезного действия тепловой машины всегда меньше единицы (). Энергетическая схема тепловой машины изображена на рис. 3.11.2.

В двигателях, применяемых в технике, используются различные круговые процессы. На рис. 3.11.3 изображены циклы, используемые в бензиновом карбюраторном и в дизельном двигателях. В обоих случаях рабочим телом является смесь паров бензина или дизельного топлива с воздухом. Цикл карбюраторного двигателя внутреннего сгорания состоит из двух изохор (, ) и двух адиабат (, ). Дизельный двигатель внутреннего сгорания работает по циклу, состоящему из двух адиабат (, ), одной изобары () и одной изохоры (). Реальный коэффициент полезного действия у карбюраторного двигателя порядка 30 %, у дизельного двигателя – порядка 40 %.

В 1824 году французский инженер С. Карно рассмотрел круговой процесс, состоящий из двух изотерм и двух адиабат, который сыграл важную роль в развитии учения о тепловых процессах. Он называется циклом Карно (рис. 3.11.4).

Цикл Карно совершает газ, находящийся в цилиндре под поршнем. На изотермическом участке () газ приводится в тепловой контакт с горячим тепловым резервуаром (нагревателем), имеющим температуру . Газ изотермически расширяется, совершая работу , при этом к газу подводится некоторое количество теплоты . Далее на адиабатическом участке () газ помещается в адиабатическую оболочку и продолжает расширяться в отсутствие теплообмена. На этом участке газ совершает работу . Температура газа при адиабатическом расширении падает до значения . На следующем изотермическом участке () газ приводится в тепловой контакт с холодным тепловым резервуаром (холодильником) при температуре . Происходит процесс изотермического сжатия. Газ совершает работу и отдает тепло , равное произведенной работе . Внутренняя энергия газа не изменяется. Наконец, на последнем участке адиабатического сжатия газ вновь помещается в адиабатическую оболочку. При сжатии температура газа повышается до значения , газ совершает работу . Полная работа , совершаемая газом за цикл, равна сумме работ на отдельных участках:

.

На диаграмме () эта работа равна площади цикла.

Процессы на всех участках цикла Карно предполагаются квазистатическими. В частности, оба изотермических участка (1–2 и 3–4) проводятся при бесконечно малой разности температур между рабочим телом (газом) и тепловым резервуаром (нагревателем или холодильником).

Как следует из первого закона термодинамики, работа газа при адиабатическом расширении (или сжатии) равна убыли его внутренней энергии. Для 1 моля газа

,

где и – начальная и конечная температуры газа.

Отсюда следует, что работы, совершенные газом на двух адиабатических участках цикла Карно, одинаковы по модулю и противоположны по знакам

.

По определению, коэффициент полезного действия цикла Карно есть

Любой участок цикла Карно и весь цикл в целом может быть пройден в обоих направлениях. Обход цикла по часовой стрелке соответствует тепловому двигателю, когда полученное рабочим телом тепло частично превращается в полезную работу. Обход против часовой стрелки соответствует холодильной машине , когда некоторое количество теплоты отбирается от холодного резервуара и передается горячему резервуару за счет совершения внешней работы . Поэтому идеальное устройство, работающее по циклу Карно, называют обратимой тепловой машиной .

В реальных холодильных машинах используются различные циклические процессы. Все холодильные циклы на диаграмме () обходятся против часовой стрелки. Энергетическая схема холодильной машины представлена на рис. 3.11.5.

Тепловой двигатель

Термодинамика возникла как наука с основной задачей – созданием наиболее эффективных тепловых машин.

Тепловая машина или тепловой двигатель – это периодически действующий двигатель, совершающий работу за счет получения теплоты.

Обычно совершение работы в тепловом двигателе производится газом при его расширении. Газ, находящийся в нем, получил название рабочего тела. Зачастую его заменяют на воздух или водяные пары. Расширение газа происходит по причине повышения его температуры и давления.

Устройство, от которого рабочее тело получает тепло Q n , называю нагревателем.

Это понимается как расширение от объема V 1 к V 2 V 2 > V 1 , затем сжатие до первоначального объема. Чтобы значение совершаемой работы за цикл было больше нуля, необходимо температуру и давление увеличить и сделать больше, чем при его сжатии. То есть при расширении телу сообщается определенное количество теплоты, а при сжатии отнимается. Значит, кроме нагревателя тепловой двигатель должен иметь холодильник, которому рабочее тело может отдавать тепло.

Рабочее тело совершает работу циклично. Очевидно, изменение внутренней энергии газа в двигателе равняется нулю. Если при расширении от нагревателя к рабочему телу передается теплота в количестве Q n , то при сжатии Q ‘ c h теплота рабочего тела передается холодильнику по первому закону термодинамики, учитывая, что ∆ U = 0 , то значение работы газа в круговом процессе запишется как:

A = Q n — Q ‘ c h ( 1 ) .

Отсюда теплота Q ‘ c h ≠ 0 . Выгодность двигателя определяется по количеству выделенной и превращенной теплоты, полученной от нагревателя, в работу. Его эффективность характеризуется коэффициентом полезного действия (КПД), определяющимся как:

Запись уравнения ( 2 ) при учитывании ( 1 ) примет вид:

η = Q n — Q ‘ c h Q n ( 3 ) , КПД всегда.

Машина, отбирающая от тела с меньшей температурой определенное количество теплоты Q c h и отдающая его Q ‘ n телу с наиболее высокой температурой с Q ‘ n > Q c h , получила название холодильной машины.

Данная машина должна совершить работу A ‘ в течение цикла. Эффективность холодильной машины определяется по холодильному коэффициенту, вычисляемому:

a = Q ‘ n A ‘ = Q ‘ n Q ‘ n — Q c h ( 4 ) .

КПД необратимого теплового двигателя всегда меньше, чем работающего по обратимому циклу.

КПД теплового двигателя

Французским инженером Саади Карно была установлена зависимость КПД теплового двигателя от температуры нагревателя T n и холодильника T c h . Форма конструкции теплового двигателя и выбор рабочего тела не влияет на КПД идеальной тепловой машины:

η m a x = T n — T c h T n ( 5 ) .

Любой реальный тепловой двигатель может обладать КПД η ≤ η m a x .

Принцип работы теплового двигателя

Идеальная машина, модель которой разработал Карно, работает по обратимому циклу, состоящему из двух изотерм ( 1 — 2 , 4 — 3 ) и двух адиабат ( 2 — 3 , 4 — 1 ) , изображенная на рисунке 1 . В качестве рабочего тела выбран идеальный газ. Прохождение адиабатного процесса происходит без подвода и отвода тепла.

Участок 1 — 2 характеризуется сообщением рабочему телу от нагревателя с температурой T n количества тепла Q n . При изотермическом процессе запись примет вид:

Q n = T n ( S 2 — S 1 ) ( 6 ) , где S 1 , S 2 являются энтропиями в соответствующих точках цикла из рисунка 1 .

Видно, что участок 3 — 4 характеризуется отдачей тепла холодильнику с температурой T c h идеальным газом, причем количество теплоты равняется получению газом теплоты — Q c h , тогда:

— Q c h = T c h ( S 1 — S 2 ) ( 7 ) .

Выражение, записанное в скобках в ( 7 ) , указывает на приращение энтропии процесса 3 — 4 .

Принцип действия тепловых двигателей КПД

Произведем подстановку ( 6 ) , ( 7 ) в определение КПД теплового двигателя и получаем:

Читать еще:  Geely mk mr479qa двигатель как поменять грм ремень

η = T n ( S 2 — S 1 ) + T c h ( S 1 — S 2 ) T n ( S 2 — S 1 ) = T n — T c h T n ( 8 ) .

В выведенном выражении ( 8 ) не выполнялось предположений о свойствах рабочего тела и устройстве теплового двигателя.

По уравнению ( 8 ) видно, что для увеличения КПД следует повышать T n и понижать T c h . Достижение значения абсолютного нуля невозможно, поэтому единственное решение для роста КПД – увеличение T n .

Задача по созданию теплового двигателя, совершающего работу без холодильника, очень интересна. В физике она получила название вечного двигателя второго рода. Такая задача не находится в противоречии с первым законом термодинамики. Данная проблема считается неразрешимой, как и создание вечного двигателя первого рода. Этот опытный факт в термодинамике приняли в качестве постулата – второго начала термодинамики.

Рассчитать КПД теплового двигателя с температурой нагревания 100 ° С и температурой холодильника, равной 0 ° С . Считать тепловую машину идеальной.

Решение

Необходимо применение выражения для КПД теплового двигателя, которое записывается как:

η = T n — T c h T n .

Используя систему С И , получим:

T n + 100 ° C + 273 = 373 ( К ) . T c h = 0 ° C + 273 = 273 ( К ) .

Подставляем числовые значения и вычисляем:

η = 373 — 273 373 = 0 , 27 = 27 % .

Ответ: КПД теплового двигателя равняется 27 % .

Найти КПД цикла, представленного на рисунке 2 , если в его пределах объем идеального газа проходит изменения n раз. Считать рабочим веществом газ с показателем адиабаты γ .

Решение

Основная формула для вычисления КПД, необходимая для решения данной задачи:

η = Q n — Q ‘ n Q n ( 2 . 1 ) .

Получения тепла газом происходит во время процесса 1 — 2 Q 12 = Q n :

Q 12 = ∆ U 12 + A 12 ( 2 . 2 ) , где A 12 = 0 потому как является изохорным процессом. Отсюда следует:

Q 12 = ∆ U 12 = i 2 R T 2 — T 1 ( 2 . 3 ) .

Процесс, когда газ отдает тепло, обозначается как 3 — 4 , считается изохорным — Q 34 = Q ‘ c h . Формула примет вид:

Q 34 = ∆ U 34 = i 2 v R T 4 — T 3 ( 2 . 4 ) .

Адиабатные процессы проходят без подвода и отвода тепла.

Произведем подстановку полученных количеств теплоты в выражение для КПД, тогда:

η = i 2 v R T 2 — T 1 + i 2 v R T 4 — T 3 i 2 v R T 2 — T 1 = T 2 — T 1 + T 4 — T 3 T 2 — T 1 = 1 — T 3 — T 4 T 2 — T 1 ( 2 . 5 ) .

Следует применить уравнение для адиабаты процессу 2 — 3 :

T 2 V 1 γ — 1 = T 3 V 2 γ — 1 → T 2 = T 3 V 2 γ — 1 V 1 γ — 1 = T 3 n γ — 1 ( 2 . 6 ) .

Используем выражение для адиабаты процесса 4 — 1 :

T 1 V 1 γ — 1 = T 3 V 2 γ — 1 → T 1 = T 4 V 2 γ — 1 V 1 γ — 1 = T 4 n γ — 1 ( 2 . 7 ) .

Перейдем к нахождению разности температур T 2 — T 1 :

T 2 — T 1 = T 3 — T 4 n Г — 1 ( 2 . 8 ) .

Произведем подстановку из ( 2 . 8 ) в ( 2 . 5 ) :

η = 1 — T 3 — T 4 T 3 — T 4 n γ — 1 = 1 — 1 n γ — 1 = 1 — n 1 — γ ( 2 . 9 ) .

Ответ: КПД цикла равняется η = 1 — n 1 — Г .

Гибридное будущее: Михаил Гордин о тенденциях развития авиационных двигателей (интервью)

В рамках Международного авиакосмического салона МАКС-2021 Центральный институт авиационного моторостроения имени П.И. Баранова (ЦИАМ, входит в НИЦ «Институт имени Н.Е. Жуковского») показал несколько перспективных разработок, посвященных гибридным (ГСУ) и электрическим силовым установкам. Самой впечатляющей стала летающая лаборатория Як-40 с ГСУ на основе электродвигателя на высокотемпературных сверхпроводниках, которая во второй день работы авиасалона совершила демонстрационный полёт. На стенде института был представлен макет сверхмощной ГСУ, а на статической стоянке – полностью электрический двухместный самолёт «Сигма-4Э».

О тенденциях развития авиационных двигателей, о высокотемпературных сверхпроводниках и их преимуществах в интервью «Авиации России» рассказал генеральный директор ЦИАМ Михаил Гордин.

– Михаил Валерьевич, расскажите, пожалуйста, когда ЦИАМ начал заниматься тематикой ГСУ, какой научно-технический задел был использован или пришлось всё полностью разрабатывать с нуля?

– Заниматься этой тематикой ЦИАМ начал с конца 2008 года. Первоначально нами было разработано четыре БПЛА на водородных топливных элементах. Сначала – зарубежных, а семь лет назад, в июле 2014 года, мы впервые подняли в небо беспилотник на топливных элементах отечественного производства. Они были разработаны Институтом проблем химической физики РАН по техническому заданию ЦИАМ. В те же годы проводились первые расчётные исследования по перспективным проектам. В частности, была выполнена большая работа по оценке эффективности применения различных типов гибридных и электрических силовых установок для гражданских вертолётов.

В 2017 году стартовала первая целенаправленная работа по формированию научно-технического задела в области ГСУ, и ЦИАМ был выбран её головным исполнителем. В том же году в институте создали тематический отдел, специалисты которого сосредоточились на оценке эффективности технологий ГСУ для различных типов летательных аппаратов, разработке математических моделей отдельных элементов и совершенствовании экспериментальной базы для их исследований, разработке и создании первых экспериментальных образцов.

До начала работ нами был проведён комплексный анализ мирового опыта, проблемных мест и критических технологий. Такой анализ мы делаем регулярно, чтобы быть в курсе мировых тенденций. И параллельно мы провели тщательный отбор соисполнителей для последующих работ.

– Для многих выражение «высокотемпературные сверхпроводники» звучит впечатляюще и одновременно загадочно, непонятно, что это за технология и почему высокотемпературные. Не могли бы вы рассказать, почему сверхпроводимость легла в основу гибридной силовой установки? Почему нельзя было применить обыкновенный мощный электродвигатель?

– Сверхпроводник – это материал, в котором при охлаждении до криогенных температур практически полностью исчезает электрическое сопротивление. Низкотемпературные сверхпроводники работают при температурах жидкого гелия, т.е. меньше 4К (-269°С). Высокотемпературные сверхпроводники работают при больших температурах, вплоть до температуры кипения жидкого азота в нормальных условиях (77К или -196°С). Именно отсутствие электрического сопротивления позволяет сделать электрическую машину очень компактной и лёгкой, добиться КПД порядка 99%.

Мы сейчас работаем с жидким азотом, но при температуре кипения жидкого водорода (20К или -253°С) максимальный удельный ток сверхпроводника вырастет в разы и составит 5000 А/мм² и более. Столь высокий показатель удельного тока позволяет кратно увеличить мощность электродвигателя и генератора при сохранении прежних габаритов и массы. Так, генератор при охлаждении жидким азотом выдаёт мощность 800 кВт, а при переходе на жидкий водород будет выдавать 2,5 МВт. Аналогично, мощность электрического двигателя вырастет с 500 кВт до 1,5 МВт – практически втрое.

И водород, в отличие от азота, можно будет использовать не только для охлаждения электродвигателя и генератора, но и в качестве топлива. Это позволит увеличить экономичность двигателя и сократить объём выбросов СО2 до нулевых показателей.

– Михаил Валерьевич, при всех плюсах гибридной силовой установки, нельзя не заметить и явные минусы – необходимость тяжёлых аккумуляторов, жидкий азот (или водород) для охлаждения электродвигателя. С аккумуляторами всё понятно: существующие сегодня технологии пока не позволяют изготовить ёмкие, компактные и лёгкие аккумуляторы, но жидкий азот – это агрессивная среда. Как обеспечивается безопасность экипажа, обслуживающего персонала и самолёта в целом от возможных протечек этого газа?

– В схеме ГСУ, представленной на Як-40ЛЛ, мы вынесли бак с азотом за пределы герметичного корпуса самолёта, чтобы сделать его обслуживание максимально безопасным. Что касается водорода, он имеет критически низкую молярную массу, из-за чего в случае утечки очень быстро улетучивается и не образует опасной концентрации. Если отойти немного в сторону от авиации, то на всех мощных электростанциях водород используется для охлаждения электрических генераторов – речь идёт уже о сотнях мегаватт. Главное – это соблюдение правил технической безопасности, оно актуально для любого типа топлива – авиакеросина, бензина, природного газа.

– Как работает ГСУ в полёте? Каков цикл работы турбовального двигателя – он включен постоянно или только периодически, чтобы подзарядить блок аккумуляторных батарей, которые уже запитывают электродвигатель?

– Гибридные силовые установки могут быть построены по параллельной и последовательной схемам. При параллельной схеме на валу теплового двигателя расположена обратимая электромашина, которая работает либо как мотор, создавая дополнительную мощность на валу при взлёте и наборе высоты, либо как генератор, отбирая мощность для зарядки аккумуляторов. При последовательной схеме питание одного или нескольких электромоторов осуществляется одновременно от блока аккумуляторных батарей и от электрического генератора, вращаемого тепловым двигателем. Оба источника выдают энергию в режимах взлёта и набора высоты, когда требуется большая мощность. На крейсерском режиме тепловой двигатель даёт энергию на электродвигатель и может дополнительно заряжать аккумуляторы. В случае отказа теплового двигателя заряда аккумуляторных батарей хватит для совершения экстренной посадки воздушного судна.

– Где в мире, кроме России, идут разработки подобных ГСУ? Насколько они продвинулись вперед?

– Программы, посвящённые гибридизации, есть в активе у всех ведущих разработчиков и производителей авиационной техники. Среди них – Airbus, Boeing, NASA, Rolls-Royce, Safran и другие. Стоит также отметить большое количество стартапов и особый интерес со стороны автопроизводителей.

Россия достигла однозначного первенства именно в применении сверхпроводимости. Его удалось добиться за счёт тесной кооперации между ведущими научными институтами и высокотехнологичными предприятиями-разработчиками. Координатором выступает НИЦ «Институт имени Н.Е. Жуковского». Каждый из институтов, входящих в НИЦ, вносит свой вклад в создание перспективного электрического самолёта в рамках своих основных компетенций: ЦИАМ – головной исполнитель проекта по разработке демонстратора ГСУ, ЦАГИ отвечает за облики летательного аппарата, ГосНИИАС – за бортовые системы, СибНИА – за испытания демонстраторов в составе летающих лабораторий.

Читать еще:  Где появляется плюс после запуска двигателя ваз 2114

Компания «СуперОкс» разработала обмотку из сверхпроводников для электродвигателя. Коллеги из УГАТУ совместно с ЦИАМ создали компактный и мощный генератор на 400 кВт.

Финансирование проектов осуществлялось Фондом перспективных исследований и Минпромторгом России.

– ЦИАМ участвует в разработке полностью сверхпроводящей ГСУ мощностью 2500 кВт, где в качестве топлива и хладоагента будет применён жидкий водород. На каком этапе работ вы сейчас находитесь? Когда планируется создать работающий демонстратор этой силовой установки?

– В проекте создания сверхмощной ГСУ на основе модернизированного турбовального двигателя ВК-2500 нами уже выполнен ряд наработок, а начало работ запланировано на 2022 год. Пойдём по уже отработанной схеме: создание наземного демонстратора, который пройдёт через комплекс испытаний на стендах, затем установка на летающую лабораторию для прохождения наземных экспериментов и последующая подготовка к выполнению первых полётов. С учётом сложности инженерных задач весь проект рассчитан на период до пяти лет.

– В электрическом контуре этой ГСУ будут применены топливные элементы. Какова их роль и почему в них нет необходимости в демонстраторе на Як-40ЛЛ?

– В схеме ГСУ с жидким водородом будут применены два источника энергии – топливные элементы и электрический генератор, вращаемый турбовальным газотурбинным двигателем. Топливный элемент имеет высокий КПД практически во всем диапазоне режимов работы, но его удельная масса в разы больше, чем у газотурбинного двигателя. По этой причине он не годится в качестве основного источника энергии и будет использоваться только в тех режимах, когда требуется дополнительная мощность.

В демонстраторе технологий на жидком азоте топливного элемента нет, так как у проекта иные задачи, которые не предполагали его создания и применения.

– В качестве двигателя в этой ГСУ будет применен турбовальный ВК-2500. Насколько трудоёмкая работа с точки зрения конструктора при перепроектировании двигателя с керосина на жидкий водород, какие узлы требуют пересмотра? Будет ли в этой ОКР использоваться задел, полученный ещё в СССР в ходе работ по двигателю НК-88 для Ту-155?

– Безусловно, нами будет использован научно-технический задел по советским проектам использования жидкого водорода в качестве авиатоплива. ЦИАМ принимал в них самое непосредственное участие. Замечу, что этот проект был первым и пока остаётся единственным в своем роде. В 1988 году при научно-технической поддержке ЦИАМ был создан двигатель НК-88, работающий на жидком водороде, совершён комплекс полётов летающей лаборатории Ту-155 с этим двигателем. Этот опыт пока никто в мире не смог повторить.

Что касается конструкторских работ, изменения будут внесены в систему автоматического управления двигателя, топливную систему и камеру сгорания. Работа предстоит сложная, но понимание, как её выполнить, есть.

– Сейчас на Як-40ЛЛ установлен электромотор мощностью 500 кВт, мощность ГСУ на жидком водороде будет 2500 кВт. Ведутся ли у нас в России хотя бы предварительные проработки самолётов, которые в будущем могли бы получить подобные гибридные силовые установки? Будут ли у этих ЛА какие-либо принципиальные отличия от существующих сегодня винтомоторных самолётов?

– Освоение технологий ГСУ открывает возможности для создания новых обликов летательных аппаратов. Речь может идти как о классических схемах самолётов, так и о принципиально новой архитектуре летательных аппаратов – мультироторного типа, конвертопланах с вертикальным или ультракоротким взлётом и посадкой и др. Это ещё одна из причин, почему разработка таких силовых установок стала тенденцией развития авиации не только в России, но и во всем мире.

В настоящее время ЦИАМ в кооперации с организациями, входящими в НИЦ «Институт имени Н.Е. Жуковского», реализует научно-исследовательскую работу по формированию обликов и оценке эффективности региональных и ближнемагистральных самолётов с ГСУ, в том числе и на водороде.

– Расскажите, пожалуйста, о программе лётных испытаний экспериментального Як-40 с демонстратором ГСУ. Где они будут проходить и сколько продлятся, что Вы от них ожидаете? Какие цели и задачи стоят перед ЦИАМ?

– Основной комплекс лётных испытаний проводится в Новосибирске в СибНИА им. С.А. Чаплыгина. Этим летом часть взлётно-посадочной полосы была на ремонте, поэтому мы приняли решение совершить перелёт в ЛИИ им. Громова для продолжения части испытаний и участия в МАКС. Сейчас Як-40ЛЛ уже вернулся в Новосибирск и готовится к очередным лётным испытаниям. Они будут включать отработку режимов работы силовой установки на различных высотах и скоростях полёта. Этот этап продлится до начала следующего года.

– А как велась подготовка к первому полёту, какие доработки были выполнены после наземных испытаний в Новосибирске зимой этого года? Когда и как был доставлен Як-40ЛЛ в Жуковский?

– Одной из самых заметных «предполётных» доработок стала замена винта самолёта. Ранее использовался временный 6-лопастной винт с фиксированным шагом. Его установка была предусмотрена только программой наземных испытаний, так как полёты на таком винте невозможны. В настоящий момент на летающую лабораторию установлен 3-лопастной винт изменяемого шага с возможностью флюгирования. Новый винт ГСУ можно было увидеть в действии во время демонстрационного полета на МАКС-2021.

Летающая лаборатория Як-40ЛЛ совершила самостоятельный перелёт из Новосибирска в Жуковский и обратно на двух своих турбореактивных двигателях.

– Что последует в дальнейшем по окончании лётных испытаний? Когда вы планируете перейти от демонстратора гибридной СУ к готовому законченному изделию?

– В настоящий момент разработка находится на стадии научно-исследовательской работы, коммерческий интерес непосредственно со стороны эксплуатантов появится позже. Производство ГСУ с последующей установкой на самолёты – это будущая задача для отечественных конструкторских бюро.

– Можно ли говорить, что с появлением серийных «электросамолётов» с ГСУ винтовую авиацию ожидает ренессанс? Когда, по вашим оценкам, это может произойти?

– Да, это так. На первом этапе мы рассчитываем на то, что технологии ГСУ будут использоваться в малой авиации, самолётах местных воздушных линий, а затем настанет очередь региональных воздушных судов. В более далёкой перспективе возможности использования ГСУ смогут быть реализованы для магистральных самолётов. Будут ли использоваться в этом случае винты, вентиляторы или реактивная тяга – вопрос пока открытый и является темой наших совместных исследований с ЦАГИ.

– Михаил Валерьевич, спасибо за интересное и обстоятельное интервью!

Андрей Величко
для сайта «Авиации России»

Тепловые машины

Автор статьи — профессиональный репетитор, автор учебных пособий для подготовки к ЕГЭ Игорь Вячеславович Яковлев

Темы кодификатора ЕГЭ: принципы действия тепловых машин, КПД тепловой машины, тепловые двигатели и охрана окружающей среды.

Коротко говоря, тепловые машины преобразуют теплоту в работу или, наоборот, работу в теплоту.
Тепловые машины бывают двух видов — в зависимости от направления протекающих в них процессов.

1. Тепловые двигатели преобразуют теплоту, поступающую от внешнего источника, в механическую работу.

2. Холодильные машины передают тепло от менее нагретого тела к более нагретому за счёт механической работы внешнего источника.

Рассмотрим эти виды тепловых машин более подробно.

Тепловые двигатели

Мы знаем, что совершение над телом работы есть один из способов изменения его внутренней энергии: совершённая работа как бы растворяется в теле, переходя в энергию беспорядочного движения и взаимодействия его частиц.

Рис. 1. Тепловой двигатель

Тепловой двигатель — это устройство, которое, наоборот, извлекает полезную работу из «хаотической» внутренней энергии тела. Изобретение теплового двигателя радикально изменило облик человеческой цивилизации.

Принципиальную схему теплового двигателя можно изобразить следующим образом (рис. 1 ). Давайте разбираться, что означают элементы данной схемы.

Рабочее тело двигателя — это газ. Он расширяется, двигает поршень и совершает тем самым полезную механическую работу.

Но чтобы заставить газ расширяться, преодолевая внешние силы, нужно нагреть его до температуры, которая существенно выше температуры окружающей среды. Для этого газ приводится в контакт с нагревателем — сгорающим топливом.

В процессе сгорания топлива выделяется значительная энергия, часть которой идёт на нагревание газа. Газ получает от нагревателя количество теплоты . Именно за счёт этого тепла двигатель совершает полезную работу .

Это всё понятно. Что такое холодильник и зачем он нужен?

При однократном расширении газа мы можем использовать поступающее тепло максимально эффективно и целиком превратить его в работу. Для этого надо расширять газ изотермически: первый закон термодинамики, как мы знаем, даёт нам в этом случае .

Но однократное расширение никому не нужно. Двигатель должен работать циклически, обеспечивая периодическую повторяемость движений поршня. Следовательно, по окончании расширения газ нужно сжимать, возвращая его в исходное состояние.

Читать еще:  Холодный двигатель инжектор запускается с педалью газа

В процессе расширения газ совершает некоторую положительную работу . В процессе сжатия над газом совершается положительная работа (а сам газ совершает отрицательную работу ). В итоге полезная работа газа за цикл: .

Разумеется, должно быть 0′ alt=’A>0′ /> , или (иначе никакого смысла в двигателе нет).

Сжимая газ, мы должны совершить меньшую работу, чем совершил газ при расширении.

Как этого достичь? Ответ: сжимать газ под меньшими давлениями, чем были в ходе расширения. Иными словами, на -диаграмме процесс сжатия должен идти ниже процесса расширения, т. е. цикл должен проходиться по часовой стрелке (рис. 2 ).

Рис. 2. Цикл теплового двигателя

Например, в цикле на рисунке работа газа при расширении равна площади криволинейной трапеции . Аналогично, работа газа при сжатии равна площади криволинейной трапеции со знаком минус. В результате работа газа за цикл оказывается положительной и равной площади цикла .

Хорошо, но как заставить газ возвращаться в исходное состояние по более низкой кривой, т. е. через состояния с меньшими давлениями? Вспомним, что при данном объёме давление газа тем меньше, чем ниже температура. Стало быть, при сжатии газ должен проходить состояния с меньшими температурами.

Вот именно для этого и нужен холодильник: чтобы охлаждать газ в процессе сжатия.

Холодильником может служить атмосфера (для двигателей внутреннего сгорания) или охлаждающая проточная вода (для паровых турбин). При охлаждении газ отдаёт холодильнику некоторое количество теплоты .

Суммарное количество теплоты, полученное газом за цикл, оказывается равным . Согласно первому закону термодинамики:

где — изменение внутренней энергии газа за цикл. Оно равно нулю: , так как газ вернулся в исходное состояние (а внутренняя энергия, как мы помним, является функцией состояния). В итоге работа газа за цикл получается равна:

Как видите, : не удаётся полностью превратить в работу поступающее от нагревателя тепло. Часть теплоты приходится отдавать холодильнику — для обеспечения цикличности процесса.

Показателем эффективности превращения энергии сгорающего топлива в механическую работу служит коэффициент полезного действия теплового двигателя.

КПД теплового двигателя — это отношение механической работы к количеству теплоты , поступившему от нагревателя:

С учётом соотношения (1) имеем также

КПД теплового двигателя, как видим, всегда меньше единицы. Например, КПД паровых турбин приблизительно , а КПД двигателей внутреннего сгорания около .

Холодильные машины

Житейский опыт и физические эксперименты говорят нам о том, что в процессе теплообмена теплота передаётся от более нагретого тела к менее нагретому, но не наоборот. Никогда не наблюдаются процессы, в которых за счёт теплообмена энергия самопроизвольно переходит от холодного тела к горячему, в результате чего холодное тело ещё больше остывало бы, а горячее тело — ещё больше нагревалось.

Рис. 3. Холодильная машина

Ключевое слово здесь — «самопроизвольно». Если использовать внешний источник энергии, то осуществить процесс передачи тепла от холодного тела к горячему оказывается вполне возможным. Это и делают холодильные
машины.

По сравнению с тепловым двигателем процессы в холодильной машине имеют противоположное направление (рис. 3 ).

Рабочее тело холодильной машины называют также хладагентом. Мы для простоты будем считать его газом, который поглощает теплоту при расширении и отдаёт при сжатии (в реальных холодильных установках хладагент — это летучий раствор с низкой температурой кипения, который забирает теплоту в процессе испарения и отдаёт при конденсации).

Холодильник в холодильной машине — это тело, от которого отводится теплота. Холодильник передаёт рабочему телу (газу) количество теплоты , в результате чего газ расширяется.

В ходе сжатия газ отдаёт теплоту более нагретому телу — нагревателю. Чтобы такая теплопередача осуществлялась, надо сжимать газ при более высоких температурах, чем были при расширении. Это возможно лишь за счёт работы , совершаемой внешним источником (например, электродвигателем (в реальных холодильных агрегатах электродвигатель создаёт в испарителе низкое давление, в результате чего хладагент вскипает и забирает тепло; наоборот, в конденсаторе электродвигатель создаёт высокое давление, под которым хладагент конденсируется и отдаёт тепло)). Поэтому количество теплоты, передаваемое нагревателю, оказывается больше количества теплоты, забираемого от холодильника, как раз на величину :

Таким образом, на -диаграмме рабочий цикл холодильной машины идёт против часовой стрелки. Площадь цикла — это работа , совершаемая внешним источником (рис. 4 ).

Рис. 4. Цикл холодильной машины

Основное назначение холодильной машины — охлаждение некоторого резервуара (например, морозильной камеры). В таком случае данный резервуар играет роль холодильника, а нагревателем служит окружающая среда — в неё рассеивается отводимое от резервуара тепло.

Показателем эффективности работы холодильной машины является холодильный коэффициент, равный отношению отведённого от холодильника тепла к работе внешнего источника:

Холодильный коэффициент может быть и больше единицы. В реальных холодильниках он принимает значения приблизительно от 1 до 3.

Имеется ещё одно интересное применение: холодильная машина может работать как тепловой насос. Тогда её назначение — нагревание некоторого резервуара (например, обогрев помещения) за счёт тепла, отводимого от окружающей среды. В данном случае этот резервуар будет нагревателем, а окружающая среда — холодильником.

Показателем эффективности работы теплового насоса служит отопительный коэффициент, равный отношению количества теплоты, переданного обогреваемому резервуару, к работе внешнего источника:

Значения отопительного коэффициента реальных тепловых насосов находятся обычно в диапазоне от 3 до 5.

Тепловая машина Карно

Важными характеристиками тепловой машины являются наибольшее и наименьшее значения температуры рабочего тела в ходе цикла. Эти значения называются соответственно температурой нагревателя и температурой холодильника.

Мы видели, что КПД теплового двигателя строго меньше единицы. Возникает естественный вопрос: каков наибольший возможный КПД теплового двигателя с фиксированными значениями температуры нагревателя и температуры холодильника ?

Пусть, например, максимальная температура рабочего тела двигателя равна , а минимальная — . Каков теоретический предел КПД такого двигателя?

Ответ на поставленный вопрос дал французский физик и инженер Сади Карно в 1824 году.

Он придумал и исследовал замечательную тепловую машину с идеальным газом в качестве рабочего тела. Эта машина работает по циклу Карно, состоящему из двух изотерм и двух адиабат.

Рассмотрим прямой цикл машины Карно, идущий по часовой стрелке (рис. 5 ). В этом случае машина функционирует как тепловой двигатель.

Рис. 5. Цикл Карно

Изотерма . На участке газ приводится в тепловой контакт с нагревателем температуры и расширяется изотермически. От нагревателя поступает количество теплоты и целиком превращается в работу на этом участке: .

Адиабата . В целях последующего сжатия нужно перевести газ в зону более низких температур. Для этого газ теплоизолируется, а затем расширяется адиабатно на учатке .

При расширении газ совершает положительную работу , и за счёт этого уменьшается его внутренняя энергия: .

Изотерма . Теплоизоляция снимается, газ приводится в тепловой контакт с холодильником температуры . Происходит изотермическое сжатие. Газ отдаёт холодильнику количество теплоты и совершает отрицательную работу .

Адиабата . Этот участок необходим для возврата газа в исходное состояние. В ходе адиабатного сжатия газ совершает отрицательную работу , а изменение внутренней энергии положительно: . Газ нагревается до исходной температуры .

Карно нашёл КПД этого цикла (вычисления, к сожалению, выходят за рамки школьной программы):

Кроме того, он доказал, что КПД цикла Карно является максимально возможным для всех тепловых двигателей с температурой нагревателя и температурой холодильника .

Так, в приведённом выше примере имеем:

В чём смысл использования именно изотерм и адиабат, а не каких-то других процессов?

Оказывается, изотермические и адиабатные процессы делают машину Карно обратимой. Её можно запустить по обратному циклу (против часовой стрелки) между теми же нагревателем и холодильником, не привлекая другие устройства. В таком случае машина Карно будет функционировать как холодильная машина.

Возможность запуска машины Карно в обоих направлениях играет очень большую роль в термодинамике. Например, данный факт служит звеном доказательства максимальности КПД цикла Карно. Мы ещё вернёмся к этому в следующей статье, посвящённой второму закону термодинамики.

Тепловые двигатели и охрана окружающей среды

Тепловые двигатели наносят серьёзный ущерб окружающей среде. Их повсеместное использование приводит к целому ряду негативных эффектов.

• Рассеяние в атмосферу огромного количества тепловой энергии приводит к повышению температуры на планете. Потепление климата грозит обернуться таянием ледников и катастрофическими бедствиями.
• К потеплению климата ведёт также накопление в атмосфере углекислого газа, который замедляет уход теплового излучения Земли в космос (парниковый эффект).
• Из-за высокой концентрации продуктов сгорания топлива ухудшается экологическая ситуация.

Это — проблемы в масштабе всей цивилизации. Для борьбы с вредными последствиями работы тепловых двигателей следует повышать их КПД, снижать выбросы токсичных веществ, разрабатывать новые виды топлива и экономно расходовать энергию.

Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector