Двигатель горячего воздуха

Термодинамика
Классический тепловой двигатель Карно
ветви Классический Статистическая Химическая Квантовая термодинамика Равновесие  / Неравновесие
Законы Zeroth Первый Второй В третьих
Системы Закрытая система Изолированная система Состояние Уравнение состояния Идеальный газ Настоящий газ Состояние вопроса Фаза (материя) Равновесие Контрольный объем Инструменты Процессы Изобарический Изохорический Изотермический Адиабатический Изэнтропический Изентальпический Квазистатический Политропный Бесплатное расширение Обратимость Необратимость Необратимость Циклы Тепловые двигатели Тепловые насосы Тепловая эффективность
Свойства системы Примечание: Сопряженные переменные в курсивом Диаграммы свойств Интенсивные и обширные свойства Функции процесса Работа Нагревать Функции государства Температура  / энтропия  ( введение ) Давление  / Объем Химический потенциал  / число частиц Качество пара Сниженные свойства
Свойства материала Базы данных недвижимости Удельная теплоемкость  ${\ displaystyle c =}$ ${\ displaystyle T}$ ${\ displaystyle \ partial S}$ ${\ displaystyle N}$ ${\ displaystyle \ partial T}$ Сжимаемость  ${\ displaystyle \ beta = -}$ ${\ displaystyle 1}$ ${\ displaystyle \ partial V}$ ${\ displaystyle V}$ ${\ displaystyle \ partial p}$ Термическое расширение  ${\ Displaystyle \ альфа =}$ ${\ displaystyle 1}$ ${\ displaystyle \ partial V}$ ${\ displaystyle V}$ ${\ displaystyle \ partial T}$
Уравнения Теорема Карно Теорема Клаузиуса Фундаментальное отношение Закон идеального газа Максвелл отношения Онсагер взаимные отношения Уравнения Бриджмена Таблица термодинамических уравнений
Возможности Свободная энергия Свободная энтропия Внутренняя энергия ${\ Displaystyle U (S, V)}$ Энтальпия ${\ Displaystyle H (S, p) = U + pV}$ Свободная энергия Гельмгольца ${\ Displaystyle А (Т, В) = U-TS}$ Свободная энергия Гиббса ${\ Displaystyle G (T, p) = H-TS}$
История Культура История Общий Энтропия Газовые законы Машины "вечный двигатель" Философия Энтропия и время Энтропия и жизнь Броуновская трещотка Демон Максвелла Парадокс тепловой смерти Парадокс лошмидта Синергетика Теории Теория калорийности Vis viva («живая сила») Механический эквивалент тепла Сила мотивации Ключевые публикации " Экспериментальное исследование ... тепла " « О равновесии неоднородных веществ » « Размышления о движущей силе огня » Сроки Термодинамика Тепловые двигатели Изобразительное искусство Образование Термодинамическая поверхность Максвелла Энтропия как рассеивание энергии
Ученые Бернулли Больцман Карно Клапейрон Клаузиус Каратеодори Duhem Гиббс фон Гельмгольц Джоуль Максвелл фон Майер Онсагер Ренкин Смитон Шталь Томпсон Томсон ван дер Ваальс Waterston
Другой Зарождение Самостоятельная сборка Самоорганизация Порядок и беспорядок
Категория
v т е

Воздух в двигателе горячего ^[1] (исторически называемый воздушным двигатель или калорийность двигателя ^[2] ) является любым тепловым двигателем , который использует расширение и сжатие воздуха под воздействием изменения температуры для преобразования тепловой энергии в механическую работу . Эти двигатели могут быть основаны на ряде термодинамических циклов, охватывающих как устройства открытого цикла, такие как устройства сэра Джорджа Кэли ^[3] и Джона Эрикссона ^{[4], так} и двигатель замкнутого цикла Роберта Стирлинга . ^[5] Двигатели горячего воздуха отличаются от более известных двигателей внутреннего сгорания и паровых двигателей.

В типичном варианте осуществления воздух в цилиндре многократно нагревается и охлаждается, и возникающие в результате расширение и сжатие используются для перемещения поршня и создания полезной механической работы .

Определение [ править ]

Термин «двигатель горячего воздуха» конкретно исключает любой двигатель, выполняющий термодинамический цикл, в котором рабочая жидкость претерпевает фазовый переход , такой как цикл Ренкина . Также исключены обычные двигатели внутреннего сгорания , в которых тепло добавляется к рабочему телу за счет сгорания топлива в рабочем цилиндре. Типы непрерывного горения, такие как Ready Motor Джорджа Брайтона и соответствующая газовая турбина , можно рассматривать как пограничные случаи.

История [ править ]

Расширяемость нагретого воздуха была известна еще в древности. Герой Александрии " Пневматика" описывает устройства, которые могут использоваться для автоматического открытия дверей храма, когда на жертвенном алтаре зажигается огонь. Устройства, называемые двигателями горячего воздуха или просто воздушными двигателями , были зарегистрированы еще в 1699 году. В 1699 году Гийом Амонтон (1663–1705) представил Королевской академии наук в Париже отчет о своем изобретении: колесо, которое был превращен жарой. ^[6]Колесо устанавливали вертикально. Вокруг ступицы колеса были камеры, заполненные водой. Заполненные воздухом камеры на ободе колеса нагревались огнем под одной стороной колеса. Нагретый воздух расширился и по трубам вытеснил воду из одной камеры в другую, разбалансируя колесо и заставляя его вращаться.

Видеть:

• Амонтон (20 июня 1699 г.) "Moyen de substituer commodement l'action du feu, à la force des hommes et des chevaux pour mouvoir les machines" (Средство удобной замены силы людей и лошадей на силу огня для передвижения [т.е. силовые] машины), Mémoires de l'Académie Royale des Sciences , страницы 112-126. В Mémoires появляются в Histoire де l'Académie Royale дез наук, année 1699 , который был опубликован в 1732 году эксплуатация Амонтон Мулен ФЭУ (огонь мельницы) объясняется на страницах 123-126; его машина изображена на табличке на следующей странице 126.
• Отчет об огненном колесе Амонтона на английском языке см .: Роберт Стюарт, Исторические и описательные анекдоты паровых двигателей, их изобретателей и улучшителей (Лондон, Англия: Wightman and Cramp, 1829), vol. 1, страницы 130–132  ; на появляется иллюстрация машины ^[7] примерно в то время , когда законы газам были первой изложены, и ранние патенты включают те Генри Вуд , викарий высоких Ercall вблизи Coalbrookdale Шропшир (английский патент +739 1759) и Томас Мид , инженер из Скулкоатс Йоркшир (английский патент 979 от 1791 г.), ^[8] последний, в частности, содержит основные элементыдвигатель вытеснительного типа (Мид назвал его переносчиком). Маловероятно , что ни один из этих патентов привели к фактическому двигателя и самый ранний работоспособный пример, вероятно , открытый цикл печь двигатель газа из английского изобретателя сэра Джорджа Кейли с.  1807 ^{[9] [10]}

Вполне вероятно, что воздушный двигатель Роберта Стирлинга 1818 года, включающий его инновационный экономайзер (запатентованный в 1816 году), был первым воздушным двигателем, примененным на практике. ^[11] Экономайзер, теперь известный как регенератор , аккумулировал тепло от горячей части двигателя, когда воздух проходил на холодную сторону, и отдавал тепло охлажденному воздуху, когда он возвращался на горячую сторону. Это нововведение повысило эффективность двигателя Стирлинга и должно присутствовать в любом воздушном двигателе, который правильно называется двигателем Стирлинга .

Стирлинг запатентовал второй двигатель горячего воздуха вместе со своим братом Джеймсом в 1827 году. Они изменили конструкцию так, чтобы горячие концы вытеснителей находились под оборудованием, и добавили насос сжатого воздуха, чтобы давление воздуха внутри могло быть увеличено до около 20 атмосфер. Камеры заявляют, что это было безуспешно из-за механических дефектов и «непредвиденного накопления тепла, не полностью отводимого ситами или небольшими проходами в охлаждающей части регенератора, внешняя поверхность которого была недостаточно большой, чтобы отводить неизвлекаемое тепло, когда двигатель работал с сильно сжатым воздухом ».

Паркинсон и Кроссли, патент Англии, 1828 г., изобрели собственный двигатель горячего воздуха. В этом двигателе воздушная камера при погружении в холодную воду частично подвергается внешнему воздействию холода, а ее верхняя часть нагревается паром. Внутренний сосуд перемещается в этой камере вверх и вниз и при этом вытесняет воздух, поочередно подвергая его воздействию горячего и холодного воздействия холодной воды и горячего пара, изменяя его температуру и состояние расширения. Колебания вызывают возвратно-поступательное движение поршня в цилиндре, к концам которого попеременно подсоединена воздушная камера.

В 1829 году Арнотт запатентовал свою машину для расширения воздуха, в которой огонь помещается на решетку рядом с нижней частью закрытого цилиндра, а цилиндр наполняется свежим воздухом, поступившим недавно. Свободный поршень тянется вверх, так что весь воздух в цилиндре выше будет проходить по трубе через огонь и приобретет повышенную эластичность, имеющую тенденцию к расширению или увеличению объема, которые огонь способен придать ему. .

В следующем году (1830 г.) за ним следует капитан Эрикссон, который запатентовал свой второй двигатель горячего воздуха. В описании он более конкретно описан как состоящий из «круглой камеры, в которой конус заставлен вращаться на валу или оси с помощью пластин или крыльев, поочередно подвергающихся давлению пара; эти крылья или листья должны работать через прорези или отверстия круглой плоскости, которая вращается под углом и, таким образом, удерживается в контакте со стороной конуса ».

Эрикссон построил свой третий двигатель горячего воздуха (калорийный двигатель) в 1833 году, который вызвал такой большой интерес несколько лет назад в Англии; и которое, если оно будет реализовано на практике, окажется самым важным механическим изобретением, когда-либо придуманным человеческим разумом, и которое принесет большую пользу цивилизованной жизни, чем любое из предшествующих ему изобретений. Ибо цель этого - производство механической энергии за счет тепла при таком чрезвычайно малом расходе топлива, что человек будет иметь в своем распоряжении почти неограниченную механическую силу в регионах, где теперь можно сказать, что топлива почти не существует. .

В 1838 году был получен патент на двигатель горячего воздуха Franchot, безусловно, двигатель горячего воздуха, который лучше всего соответствовал требованиям Карно.

Пока все эти воздушные двигатели безуспешны, но технологии созревают. В 1842 году Джеймс Стирлинг, брат Роберта, построил знаменитый двигатель Данди Стирлинга. Этот, по крайней мере, длился 2-3 года, но затем был прекращен из-за ненадлежащих технических приспособлений. Двигатели с горячим воздухом - это история проб и ошибок, и потребовалось еще 20 лет, прежде чем двигатели с горячим воздухом можно было использовать в промышленных масштабах. Первые надежные двигатели горячего воздуха были построены Shaw, Roper, Ericsson. Их было построено несколько тысяч.

Термодинамические циклы [ править ]

Термодинамический цикл двигателя горячего воздуха может (в идеале) состоять из 3 или более процессов (обычно 4). Процессы могут быть любыми из следующих:

• изотермический процесс (при постоянной температуре, поддерживаемой с добавлением или отводом тепла от источника или поглотителя тепла)
• изобарный процесс (при постоянном давлении)
• изометрический / изохорный процесс (при постоянном объеме)
• адиабатический процесс (от рабочей жидкости не добавляется и не отводится тепло)
  • изэнтропический процесс , обратимый адиабатический процесс (тепло не добавляется и не удаляется из рабочего тела - и энтропия постоянна)
• изэнтальпический процесс ( энтальпия постоянна)

Вот некоторые примеры (не все циклы горячего воздуха, как определено выше):

Еще один пример - цикл Вилломье .^[12]

См. Также [ править ]

• двигатель Стирлинга
• Термоакустический двигатель горячего воздуха
• Двигатель Мэнсона-Гиза
• Пламенеющий двигатель
• Тепловой двигатель Карно
• Хронология развития технологий тепловых двигателей

Ссылки [ править ]

Внешние ссылки [ править ]

Викискладе есть медиафайлы по теме двигателей горячего воздуха .

В Wikisource есть текст статьи Air-Engine из Британской энциклопедии 1911 года .

• Введение в машины цикла Стирлинга
• Пионеры в конструкции воздушных двигателей (выберите желаемую биографию)
• Аппарат для метода дифференциации тепла, патент Vuilleumier
• Исследование паровоздушных двигателей XIX века