Mio-tech-service.ru

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

Элемент теплового двигателя совершающий работу

ФИЗИКА: Тепловые двигатели. Принцип действия тепловых двигателей. КПД двигателей.

Электродвигатель и другие механизмы выполняют определённую работу, которая называется полезной. Устройство, функционируя, частично растрачивает энергию.

  1. Определение [ править| править код]
  2. Цикл Карно.
  3. Как устроен тепловой двигатель
  4. Трактовка понятия
  5. Коэффициент полезного действия
  6. КПД тепловых машин. КПД тепловой машины — формула
  7. Чему равен КПД теплового двигателя
  8. Мощность разных устройств
  9. Какие реальные КПД у разных типов двигателей
  10. Литература [ править| править код]
  11. Что мы узнали?
  12. Тест по теме
  13. Оценка доклада

1. Тепловые двигатели

Темой про­шло­го урока был пер­вый закон тер­мо­ди­на­ми­ки, ко­то­рый за­да­вал связь между неко­то­рым ко­ли­че­ством теп­ло­ты, ко­то­рое было пе­ре­да­но пор­ции газа, и ра­бо­той, со­вер­ша­е­мой этим газом при рас­ши­ре­нии. И те­перь при­шло время ска­зать, что эта фор­му­ла вы­зы­ва­ет ин­те­рес не толь­ко при неких тео­ре­ти­че­ских рас­чё­тах, но и во вполне прак­ти­че­ском при­ме­не­нии, ведь ра­бо­та газа есть не что иное как по­лез­ная ра­бо­та, какую мы из­вле­ка­ем при ис­поль­зо­ва­нии теп­ло­вых дви­га­те­лей.

Опре­де­ле­ние. Теп­ло­вой дви­га­тель – устрой­ство, в ко­то­ром внут­рен­няя энер­гия топ­ли­ва пре­об­ра­зу­ет­ся в ме­ха­ни­че­скую ра­бо­ту (рис. 1).

Рис. 1. Раз­лич­ные при­ме­ры теп­ло­вых дви­га­те­лей (Ис­точ­ник), (Ис­точ­ник)

Как видно из ри­сун­ка, теп­ло­вы­ми дви­га­те­ля­ми яв­ля­ют­ся любые устрой­ства, ра­бо­та­ю­щие по вы­ше­ука­зан­но­му прин­ци­пу, и они ва­рьи­ру­ют­ся от неве­ро­ят­но про­стых до очень слож­ных по кон­струк­ции.

Все без ис­клю­че­ния теп­ло­вые дви­га­те­ли функ­ци­о­наль­но де­лят­ся на три со­став­ля­ю­щие (см. рис. 2):

  • На­гре­ва­тель
  • Ра­бо­чее тело
  • Хо­ло­диль­ник

Рис. 2. Функ­ци­о­наль­ная схема теп­ло­во­го дви­га­те­ля (Ис­точ­ник)

Принцип работы

В основу работы положен принцип разности температурного расширения различных металлов, описанных законом Джоуля-Ленца. При нагревании биметаллической пластины, состоящей из двух металлов с различным коэффициентом теплового расширения, произойдет ее геометрическая деформация. Именно такая пластина и устанавливается в термореле, она реагирует на превышение температуры более установленного предела.

Для рассмотрения принципа работы температурного реле воспользуемся трехмерной моделью реального устройства, приведенной на рисунке 2 ниже:

Рис. 2. Принцип действия температурного реле

Как видите, подключенное в цепь электродвигателя тепловое реле пропускает основную нагрузку электрической машины через токоведущие шины. Если смоделировать ситуацию перегрузки, когда через них потечет ток в несколько раз превышающий номинальный, то шины начнут нагреваться и избыток тепла перейдет на биметаллическую пластину, подключенную к каждой из фаз электродвигателя. При достижении температуры уставки биметаллическая пластина изогнется и приведет в движение один из толкателей. Толкатель, в свою очередь, сместит рычаг защелки на несколько миллиметров, что отпустит пружинный механизм и даст ход штанге расцепителя.

После этого контакты теплового реле отключат питание цепи управления и перекроют контакты цепи сигнализации, которая оповестит об отключении защитного приспособления. После устранения причины перегрева реле возвращается в рабочее положение посредством нажатия механической кнопки. Следует отметить, что сразу после отключения теплового реле включить его не получиться, так как биметаллическая пластина еще не остыла и возможны ложные срабатывания. Поэтому процесс требует определенной выдержки времени, после которой электродвигатель можно запускать в работу.

Термопары: устройство и принцип работы простым языком

Термопарой, или термоэлектрическим преобразователем, называют устройство для измерения температуры, основой работы которого является термоэлектрический эффект.

В бытовых целях используются в различных приборах, в самых простых и технически сложных: от утюгов, паяльников, холодильников до автомобилей и отопительных котлов. Благодаря большому диапазону измеряемых температур (от -250 о С до +2500 о С) широкое применение термопары нашли в промышленности, коммунальном хозяйстве, науке и медицине. Также термоэлектрические преобразователи работают как часть систем автоматики и управления, снимая и передавая данные об изменениях температуры. Такие датчики отличаются надежностью, невысокой стоимостью, необходимой точностью и низкой инертностью.

Работа термопары основана на свойстве изменения термо-ЭДС (термоэлектродвижущей силы) от повышения или уменьшения температуры. Точность показаний зависит от типа конструкции, соблюдения технологических требований, схемы подключения проводников.

Конструкция термоэлектрического преобразователя обусловлена тепловой инерцией и чувствительностью используемых элементов, условиями применения: диапазоном температур, агрессивностью и агрегатным состоянием среды, необходимостью использовать защиту.

Принцип работы термопары

Принцип действия термопары — термоэлектрический эффект, или эффект Зеебека. Явление это было открыто ученым в 1821 году и состоит в следующем:

Читать еще:  Bmw e39 схема двигателя

в замкнутой цепи из двух разнородных проводников возникает электродвижущая сила (термо-ЭДС), если места их соединения, или спаи, поддерживать при разной температуре. Эффект не возникает в случае использования однородных материалов, а также при одинаковых температурах спаев. Величина термоэлектродвижущей силы зависит от материала проводников и разницы температур контактов, направление тока в контуре — от того, температура какого спая выше.

На практике в термопаре используют проводники из разных сплавов, они также называются термоэлектродами. Один спай, «горячий», выполняют сваркой или скручиванием и помещают в среду с измеряемой температурой; другой, «холодный», замыкается на контакты измерительного прибора или соединяется с устройством автоматического управления. В современных сложных термопарах используются цифровые преобразователи сигнала.

Термо-ЭДС возникает за счет разницы потенциалов между соединениями проводников при интенсивном нагреве или охлаждении горячего спая. Напряжение на холодном спае пропорционально зависит от температуры на горячем. При этом температура на холодном должна быть постоянной, иначе возникает большая погрешность измерений. Для высокой точности холодный контакт помещается в специальные камеры, где температура поддерживается на одном уровне.

Применение термопар и их особенности

Область применения термопар огромна, в первую очередь, благодаря широкому измерительному диапазону температур: от сверхнизких до экстремально высоких. Широкое распространение эти устройства получили также из-за стабильности и точности измерений. Их используют в бытовых и промышленных приборах, производственных технологиях для измерения температуры различных устройств, объектов и сред: воздуха, твердых тел, расплавленного металла, жидкостей и газов, вращающихся деталей, тепловых двигателей.

Как датчики температур термоэлектрические преобразователи применяют в автоматизированных системах управления. В газовом оборудовании (котлы, плиты, колонки) с помощью термопар осуществляют термоконтроль. По данным термопары срабатывает аварийное отключение приборов, если превышена допустимая температура.

От назначения термопары зависит ее конструкция и материалы проводников: различные комбинации металлов предназначены для различных сред и диапазонов температур.

Рабочие элементы для защиты от воздействия внешних факторов могут помещаться в колбу, или чехол: например, защитный материал для термопары в газовом котле — нержавеющая или обычная сталь. При температурах до 1000-1100 о С применяют жаростойкие сплавы, при более высоких — фарфор, тугоплавкие сплавы. Для измерений в особых условиях среды, к примеру, при высоком давлении, требуется герметичность термопары.

Если среда измерения не оказывает вредного влияния на проводники, защиту не используют. Бескорпусный вариант с незакрытым местом соединения двух проводников отличается низкой инертностью и практически мгновенным измерением температуры.

В зависимости от количества мест измерения термопары могут быть одноточечные и многоточечные. Соответственно, длина рабочей части термопары колеблется от 120 мм до 20000 мм. Потребность во многих точках измерения (до нескольких десятков) возникает, в частности, в химической и нефтехимической промышленности для тех емкостей, где перерабатываются жидкости (реакторов, баков, колонн фракционирования).

Классификация термопар

Принцип действия термопары основан на возникновении разности потенциалов в проводниках, поэтому металлы термоэлектродов должны отличаться по химическим и физическим характеристикам. Для применения в термопарах используются различные сплавы цветных и благородных металлов.

Благородные металлы позволяют существенно повысить точность измерений, сказывается меньшая термоэлектрическая неоднородность и стойкость к окислению. Они используются для измерений до 1900 о С, при более высоких температурах необходимы специальные жаростойкие сплавы. Неблагородные металлы применяются до 1400 о С.

Все материалы проводников обладают различной плавкостью, стойкостью к окислению, диапазоном рабочих температур. Именно в указанном производителем интервале температур возможна качественная работа устройства и точные данные измерений.

Для классификации групп термопар по российскому ГОСТу используют три кириллические буквы, международная классификация подразумевает обозначение одной буквой латиницы: например, нихросил-нисиловая термопара имеет обозначение ТНН, или N; платинородий-платинородиевая — ТПР, тип В.

Другая классификация термопар учитывает типы спаев, которые могут быть использованы:

  • одноэлементные и двухэлементные;
  • изолированные и соединенные с корпусом;
  • заземленные и незаземленные.

Инерционность термопары снижается при заземлении на корпус, а это увеличивает быстродействие и точность измерений. Также для уменьшения инерционности в некоторых устройствах спай оставляют снаружи защитного корпуса.

Хромель+алюмель ТХА (тип K)

Существует множество типов термопар, хромель-алюмель — одна из самых распространенных.

Состав сплава хромель:

  • 90% никеля
  • 10% хрома
Читать еще:  Датчик температуры двигателя chevrolet aveo

Состав сплава алюмель:

  • 95% никеля
  • 2% алюминия
  • 2% никеля
  • 1% кремния

Возможность работы с линейной характеристикой в пределах температур от -200 о С до +1300 о С, подходит для нейтральных и окислительных сред, имеет невысокую стоимость. В восстановительной среде требуется защитный корпус. Диапазон рабочих температур зависит от диаметра электродов, может применяться при реакторном облучении.

Отличается высокой чувствительностью (примерно 41 мВ/ о С) и регистрирует даже небольшие изменения температуры, очень широко применяется во многих областях.

Недостатки и особенности. Никель имеет магнитные свойства, что вызывает изменение выходного сигнала при температурах 350 о С. В серной среде возможен преждевременный отказ, при определенных низких концентрациях кислорода работа также нарушается.

Железо+константан ТЖК (Тип J)

Надежная и недорогая термопара для промышленности и науки.

Константан обычно состоит из :

Применяется в более узком диапазоне температур по сравнению с хромель-алюмелем: -200 — +1100 о С, при этом выше чувствительность: 50-60 мкВ/ о С.

Хорошо подходит для вакуумной среды, измерения проводятся также в окислительных, восстановительных, нейтральных средах. Температура длительного воздействия — до +750 о С, кратковременного — до +1100 о С.

Нельзя постоянно применять при отрицательных температурах из-за коррозии на металлическом выводе, окислительные среды сокращают срок действия. При высоких положительных температурах негативно влияет сера.

Хромель+копель ТХК (тип L).

Копель изготавливается примерно в таких пропорциях:

  • медь 56%
  • никель 43%
  • марганец 1%.

В основном используется для пирометрических измерений различных сред при рабочих температурах 200-600 о С, в промышленных и лабораторных установках. Максимальный диапазон измеряемых температур: от -250 о С до +1100 о С при кратковременном воздействии.

Одна из самых высокочувствительных термопар — до 80 мкВ/ о С.

Чувствительна к деформации, очень хрупкая.

Преимущества и недостатки термопар

Термопары имеют давнюю историю эксплуатации и широко применяются благодаря следующим преимуществам:

  • Способности работать в агрессивных средах и экстремальных температурах от -250 о С до +2500 о С.
  • Невысокой цены для большинства моделей. Стоимость увеличивается для приборов с благородными металлами, защитными элементами, дополнительными соединениями и разъемами.
  • Проверенной десятилетиями надежности и неприхотливости.
  • Точности измерений. Погрешность составляет до 1-2 о С в стандартных приборах, что по большей части достаточно для промышленных и бытовых нужд. Более высокоточные приборы имеют показатель 0,01 о С.
  • Простой технологии изготовления и обслуживания.

К недостаткам термопар можно отнести:

  • необходимость применения высокочувствительных приборов для снятия результатов измерений;
  • малая величина токов требует экранирующей защиты проводов для уменьшения наводки;
  • ухудшение показателей при длительном использовании в условиях перепадов температур;
  • для точных измерений требуется градуировка каждого прибора на заводе-изготовителе;
  • появление нелинейной зависимости термо-ЭДС от нагревания, если превышаются рабочие ограничения.

В целом, возможные сложности в работе с термопарами хорошо изучены и имеют различные способы решения. Благодаря надежности, точности, широкому рабочему диапазону температур устройства очень распространены. Применение определяется их техническими характеристиками и особенностями, а для некоторых систем термопары — единственно возможный вариант. Существующая классификация, а также многочисленные исследования и опыт эксплуатации дают обширную информацию о различных типах устройств, что облегчает их выбор и использование.

Какой тип термопар выбрать

В промышленном оборудовании термопары используются крайне часто для более точного контроля этапов производства товара. В то время пока вы рассматриваете какую термопару выбрать, рекомендуем заострить свое внимание на следующих характеристиках:

  • Диапазон измерения температур
  • Устойчивость к химическим средам
  • Стойкость к вибрации и механическим воздействиям
  • Совместимость с используемым оборудованием

Как подобрать тип спая термопары

У термопар имеется три типа спая: изолированный, неизолированный или открытый.

На конце датчика с неизолированным переходом провода термопары прикреплены к стенке датчика с внутренней стороны. Благодаря этому достигается отличная теплопередача снаружи через стенку оболочки к спаю термопары. В изолированном типе спай термопары отделен от стенки оболочки. Время отклика меньше, чем у неизолированного типа, но изолированный обеспечивает изоляцию от электричества.

Термопара в стиле открытого спая выступает из конца оболочки и подвержена воздействию среды которая ее окружает. Этот тип обеспечивает лучшее время отклика, но его можно эксплуатировать только для некоррозионных и негерметичных случаев.

Читать еще:  Эндоскопия двигателя что это такое

Неизолированный спай используют для замера температур агрессивных сред, или же для областей применения где характерно высокое давление. Спай неизолированной термопары приварен к защитной оболочке, благодаря чему достигается более быстрый отклик, чем при эксплуатации спая изолированного типа.

Изолированный спай отлично себя показывает в измерениях температур в агрессивных средах, где рекомендуется иметь термопару, которая электрически изолирована от оболочки и экранированную ею. Термопара из сварной проволоки физически изолирована от оболочки термопары порошком MgO (оксид магния).

Открытый переход рекомендуется для измерения статических или текущих температур некоррозионных газов, где понадобится быстрое время отклика. Соединение выходит за пределы защитной оболочки из металла, в следствии чего получается более точный и быстрый отклик. Изоляция оболочки герметична в соединительных местах, благодаря чему исключается любое проникновение влаги или газа, которое могло бы привести к ошибкам.

Дополнительные функции и возможности тепловых пушек

Электрические тепловые пушки могут быть оснащены дополнительными функциями и возможностями, которые могут весомо повлиять на выбор конкретной модели:

  • Регулировка температуры. Данная функция позволит подстроить работу устройства под определенные условия. Например, для натяжного потолка нужна определенная температура и перегрев ему нежелателен.
  • Регулировка мощности. Изменение мощности влияет на силу обдува вентилятором: чем выше мощность, тем сильнее вентилятор будет дуть.
  • Термостат. Термостат поддерживает заданную температуру на нужном уровне и включает устройство, когда она падает, и наоборот отключает его, когда помещение прогрелось до нужно температуры. Хотя термостатом оснащено подавляющее большинство тепловых пушек, все же есть модели без этой конструктивной детали.
  • Вентиляция без обогрева. Такая функция позволяет запускать вентилятор без включения нагревательного элемента. Это может потребоваться, когда воздух достаточно теплый, а сушить помещение нужно. Например, это нужно во время отделочных работ, таких, как штукатурка.
  • Защита от перегрева. Устройство автоматически отключится при достижении критической температуры (у каждой модели порог критической температуры свой). Это в особенности полезно в тех случаях, когда невозможно контролировать работу агрегата.
  • Задержка выключения двигателя. В моделях с такой функцией сначала отключается нагревательный элемент, а вентилятор продолжает еще некоторое время крутиться. Обычно это время составляет 1 – 2 минуты. За это время остаточное тепло разгоняется по помещению, а нагревательный элемент остывает быстрее. Относительно немногие модели оснащены подобной функцией. Из хороших хотим посоветовать Ballu BHP-P-5.

Принципы работы

В тепловом реле чаще всего присутствуют две биметаллические пластины. Они имеют разные коэффициенты расширения – у одной этот параметр больший по величине, а у другой меньший. Там где пластины прилегают друг к другу, обеспечивается их жесткое крепление или прокатом, или сваркой.

При нагревании неподвижно закрепленной пластины происходит ее изгиб. Эта особенность и лежит в основе принципа действия теплового реле. Часто в качестве применяемых материалов выступают инвар и сталь немагнитного или хромированного исполнения.

Биметаллическая часть начинает нагреваться вследствие воздействия тепла. Оно выделяется в пластине нагрузочным током. Но нагрев также может производиться и по другой схеме – через нагреватель, по которому идет ток.

Наиболее высокие показатели эффективности работы реле обеспечиваются при комбинированном способе нагревания – от тепла тока, идущего через пластину, и от нагревателя. После того как пластинка прогнется, ее свободный конец взаимодействует с контактным блоком реле.

Применение паровой турбины

Налив в чайник воды и поставив его на включенный газ, можно убедиться, что при закипании энергии выходящего из трубки пара достаточно, чтобы на выходе электродвигателя появилась ЭДС. Для этого к нему стоит подключить светодиодный фонарик. Помимо питания для электрических лампочек, возможно и другое применение паровой турбины, например, для зарядки аккумулятора сотового телефона.

В условиях квартиры или частного дома подобная мини-электростанция может показаться простой игрушкой. А вот оказавшись в походе и взяв с собой турбированный чайник с электрогенератором, вы сможете оценить по достоинству его функциональность. Возможно, в процессе вам удастся найти еще какое-нибудь назначение турбины. Больше информации об изготовлении походного генератора из чайника можно узнать, посмотрев видео:

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector