Какие бывают тепловые двигатели?

Тепловые двигатели – это машины, которые производят механическую работу благодаря обмену тепла с другими внешними телами. Нагревание происходит обычно благодаря тому, что сгорает топливо, в результате чего получается достаточная температура на нагревательном элементе. В данном случае работа осуществляется благодаря использованию энергии смеси кислорода и топлива. Есть различные виды тепловых двигателей, работа которых основана на нагреве с помощью Солнца, разницы в температурах воды. Однако такие машины не получили достаточного распространения и значения. В эксплуатации сейчас часто можно обнаружить двигатели, использующие выделяющуюся тепловую энергию расщепления атомных ядер в реакторе.

Паросиловые станции

Поршневые паровые (тепловые) двигатели были созданы в конце девятнадцатого века. Через сто лет появились и первые паровые турбины. Как говорит само название, принцип работы основан на паре, обычно водяном, но есть возможность применять даже пары ртути. Турбины на пару устанавливаются на мощных электростанциях и крупных кораблях. Поршневой двигатель же нашел применение разве что в водном транспорте (пароходы и паровозы) и на железной дороге. Для успешной работы самого двигателя на пару необходимы некоторые вспомогательные устройства и машины, что в совокупности составляет паросиловую станцию, в которой циркулируют всегда одни и те же водные потоки. Они трансформируются в специальных котлах в пар, а затем уже пар производит необходимую работу в поршневой машине (или в турбине). Следующим этапом является превращение пара в охлаждаемом барабане в воду (конденсатор). Из него образовавшаяся вода через насос и сборный бак направляется опять в котел, замыкая круговорот водного потока. Обычно котел именуют термином «нагреватель», а конденсатор называют холодильником. Благодаря тому, что внутри установки циркулирует один и тот же поток воды, накипь практически не образуется.

Паровые котлы

Тепловые двигатели на пару (котлы) состоят из непосредственно котла и топки, в которой на колосниковых решеточках сжигается уголь (или, в некоторых, случаях дрова). Применять жидкое топливо можно с помощью его распыления паром в форсунках. Сжатый воздух, который вырывается из узкой трубки, всасывает жидкое топливо, а затем разбрызгивает его в необходимом направлении. Котел состоит из трубок и барабана. Через стены труб передается теплота от топочного газа воде. Изредка вода может находиться снаружи по отношению к трубам, а под ним – одни топочные газы, иногда – наоборот, то есть вода – внутри трубок, а горячий газ их омывает. В таких тепловых двигателях, как паровые котлы, пар перегревается в так называемых змеевиках, при этом он трансформируется в ненасыщенный из насыщенного. Таким образом, уменьшается конденсация паров на стенках турбины и паропроводов, а значит, повышается коэффициент полезного действия самой станции. На котел устанавливают манометр, с помощью которого осуществляется наблюдение за уровнем давления пара. Необходим и специальный клапан, который выпустит нужный объем пара в том случае, когда давление превысит предельную величину. На дне барабана есть приспособления для диагностики уровня воды.

Паровые турбины

Турбины состоят из стальных цилиндров, внутри них расположен вал, а на нем закреплены рабочие колеса, между которыми помещены направляющие лопаты или сопла. Пар, который вырывается между этими лопатками, попадает на лопатки у рабочего колеса, которое вращается и выполняет работу. Причина вращения самого колеса – реакция струи пара. В турбине потоки пара расширяются и охлаждаются, так как входят в нее по очень узким пароходам, а выходят – в широких трубах.

Двигатели внутреннего сгорания

Крайне распространенные тепловые двигатели работают на системе внутреннего сгорания и устанавливаются в танках, самолетах, автомобилях, тракторах и так далее. Работать они могут на разном топливе: керосин, бензин, сжатый горючий газ. Основная часть двигателя такого типа – это набор цилиндров. Внутри них и происходит сжигание какого-либо топлива. В цилиндре двигается поршень, который являет собой полый и закрытый только с одной стороны цилиндр. Поршень опоясан пружинами в виде колец. Их назначение – не пропустить газ, образованный во время сгорания топлива, в промежутки между самим поршнем и стенами цилиндра. Верхние части цилиндров связаны с закрытыми через клапаны каналы. Через них впускаются горячие смеси, а также выбрасываются отходы сгорания. Кроме этих клапанов сверху помещена свеча. Она является приспособлением, с помощью которого производится зажигание горючей смеси через полученную от электрических приборов (бобины или магнето) искры.

Карбюратор

Важная часть тепловых двигателей, которые работают на принципе внутреннего сгорания, – это карбюратор. Если впускной клапан в цилиндре открыт, то поршень двигается к валу, и воздух входит через отверстие. Воздушные массы проходят мимо трубки, соединенной с камерой, в которой находится бензин. Воздух с большой скоростью проходит возле конца трубки, всасывает бензин, а затем его распыляет. То есть образовывается горючая смесь, которая состоит из паров бензина и воздуха. Приток этой смеси в цилиндр ограничен дроссельными заслонками.

Такты работы двигателя

Есть всего четыре основных такта работы машины внутреннего сгорания:

1. Всасывание. Во время первого такта открывается клапан, поршень засасывает горючую смесь в цилиндр из карбюратора.
2. Сжатие. Во втором такте клапан впускной закрывается, а поршень двигается вверх и сжимает смесь, нагревая ее таким образом.
3. Сгорание. После того как поршень достигнет положения вверху, смесь зажигается при помощи получаемой от свечи электрической искры. Сила давления раскаленного газа выталкивает поршень вниз. Это движение передается валу, и совершается работа.
4. Выпуск (он же выхлоп). Открывается клапан выпускной, и все отработанные продукты сгорания выбрасывается в атмосферу через глушитель.

Из всех четырех тактов (во время которых происходит только два оборота вала) лишь третий – рабочий. Именно поэтому одноцилиндровый тепловой двигатель снабжают маховиком, который раскручивается и вращается во время всех других таков. Одноцилиндровый двигатель устанавливают разве что на мотоциклы. На автомобилях ставят более четырех цилиндров. При этом их устанавливают таким образом, чтобы хотя бы один из цилиндров был в работе на каждый такт. Для старта двигателя используют электромотор, который питается от стартера (аккумулятора).

Дизельные двигатели

В дизельной машине сжимается не смесь, а просто воздух, причем сжатие происходит многократное, а воздух нагревается до сотен градусов Цельсия. После завершения процесса сжатия в цилиндр вбрызгивают уже и жидкое топливо с помощью форсунки, которая работает от нагнетаемого компрессорами сжатого воздуха. Разбрызганная нефть зажигается благодаря высоким температурам. В это время происходит полезная работа, а затем – выброс отработанного газа. Дизели применяют в тепловозах, грузовиках, тракторах.

Реактивный двигатель

Такие тепловые машины по существу являются двигателями внутреннего сгорания, однако в них применяют так называемую реактивную струю. Сам двигатель находится в цилиндрическом корпусе. В переднее его отверстие входит воздух. Затем в компрессоре воздушный поток проходит вдоль оси самого двигателя. После компрессии поток попадает в камеру с горючим, где и образовывается горючая смесь, которая загорается. Таким образом, получаются высокотемпературные газы, которые движутся затем к выходным соплам, приводя в движение газовую турбину. Данные газы имеют невероятную скорость.