Двигатель горячего воздуха - Hot air engine

Термодинамика
Классический Тепловой двигатель Карно
ветви Классический Статистический Химическая Квантовая термодинамика Равновесие  / Неравновесный
Законы Zeroth Первый Второй В третьих
Системы Состояние Уравнение состояния Идеальный газ Настоящий газ Состояние вопроса 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 курсив Диаграммы свойств Интенсивные и обширные свойства Функции процесса Работа Высокая температура Функции государства Температура  / Энтропия  (вступление ) Давление  / Объем Химический потенциал  / Номер частицы Качество пара Сниженные свойства
Свойства материала Базы данных недвижимости Удельная теплоемкость   ${ displaystyle c =}$ ${ displaystyle T}$ ${ displaystyle partial S}$ ${ displaystyle N}$ ${ displaystyle partial T}$ Сжимаемость   ${ displaystyle beta = -}$ ${ displaystyle 1}$ ${ displaystyle partial V}$ ${ displaystyle V}$ ${ displaystyle partial p}$ Тепловое 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 Взаимные отношения Онзагера Уравнения Бриджмена Таблица термодинамических уравнений
Потенциал 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 Теория тепла Vis viva («живая сила») Механический эквивалент тепла Сила мотивации Ключевые публикации "Экспериментальное расследование Относительно ... тепла " "О равновесии Гетерогенные вещества " "Размышления о Движущая сила 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
Книга Категория

Иллюстрация низкотемпературного двигателя горячего воздуха (LTD). 1. Поршень привода, 2. Холодный конец цилиндра, 3. Поршень буйка, 4. Горячий конец цилиндра Q1. Нагрев, 2 квартал. Нагреть.

А двигатель горячего воздуха^[1] (исторически называется воздушный двигатель или же калорийность двигатель^[2]) любой Тепловой двигатель который использует расширение и сжатие воздуха под воздействием изменения температуры преобразовать тепловая энергия в механическая работа. Эти двигатели могут быть основаны на ряде термодинамические циклы охватывая оба устройства открытого цикла, такие как Сэр Джордж Кэли^[3] и Джон Эрикссон^[4] и двигатель замкнутого цикла Роберт Стирлинг.^[5] Двигатели горячего воздуха отличаются от более известных двигателей внутреннего сгорания и паровых двигателей.

В типичном исполнении воздух многократно нагревается и охлаждается в цилиндр и результирующее расширение и сжатие используются для перемещения поршень и производить полезные механическая работа.

Определение

А праксиноскоп сделано Ernst Plank, из Нюрнберг, Германия, и приводится в действие миниатюрным двигателем горячего воздуха. Сейчас в коллекции Thinktank, Музей науки Бирмингема.

Термин «двигатель горячего воздуха» специально исключает любой двигатель, выполняющий термодинамический цикл в котором рабочая жидкость подвергается фаза перехода, такой как Цикл Ренкина. Также исключены обычные двигатель внутреннего сгорания, в котором тепло добавляется к рабочему телу за счет сгорания топлива в рабочем цилиндре. Типы непрерывного горения, такие как Джордж Брайтон готовый двигатель и связанные с ним газовая турбина, можно рассматривать как пограничные случаи.

История

Расширяемость нагретого воздуха была известна еще в древности. Герой Александрии с Пневматика описывает устройства, которые могут быть использованы для автоматического открытия дверей храма, когда на жертвенном алтаре зажигается огонь. Устройства, называемые двигателями горячего воздуха, или просто воздушные двигатели, были записаны еще с 1699 г. В 1699 г. Гийом Амонтон (1663–1705) представил Королевской академии наук в Париже отчет о своем изобретении: колесо, которое вращалось под действием тепла.^[6] Колесо устанавливали вертикально. Вокруг ступицы колеса находились камеры, заполненные водой. Заполненные воздухом камеры на ободе колеса нагревались огнем под одной стороной колеса. Нагретый воздух расширялся и по трубам вытеснял 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 действием огня для перемещения [то есть силовых] машин), Mémoires de l'Académie Royale des Sciences, страницы 112-126. В Воспоминания появиться в Histoire de l'Académie Royale des Sciences, год 1699, который был опубликован в 1732 году. Операция Амонтона. moulin à feu (пожарная мельница) объясняется на страницах 123-126; его машина изображена на табличке на следующей странице 126.
• Описание огненного колеса Амонтона на английском языке см .: Роберт Стюарт, Исторические и описательные анекдоты о паровых двигателях, их изобретателях и улучшителях (Лондон, Англия: Wightman and Cramp, 1829), т. 1, страницы 130-132 ; изображение машины появляется на ^[7] примерно в то время, когда законы газов были впервые изложены, а ранние патенты включают патенты Генри Вуд, Викарий Высокого Эрколла рядом Coalbrookdale Шропшир (английский патент 739 от 1759 г.) и Томас Мид, инженер из Скулькоатс Йоркшир (английский патент 979 от 1791 г.),^[8] последний, в частности, содержит основные элементы вытеснитель Тип двигателя (Мид назвал его переводчиком). Маловероятно, что какой-либо из этих патентов привел к созданию реального двигателя, и самым ранним работоспособным примером, вероятно, был открытый цикл. печь газовый двигатель английского изобретателя Сэр Джордж Кэли c. 1807^[9][10]

Похоже, что Роберт Стирлинг Пневматический двигатель 1818 г., в котором воплощены его новаторские Экономайзер (запатентован в 1816 году) был первым воздушным двигателем, запущенным в практику.^[11] Экономайзер, теперь известный как регенератор, аккумулирует тепло от горячей части двигателя, когда воздух проходит к холодной стороне, и отдает тепло охлажденному воздуху, когда он возвращается на горячую сторону. Это нововведение повысило эффективность двигателя Стирлинга и должно присутствовать в любом воздушном двигателе, который правильно называется двигатель 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 около дна закрытого цилиндра, а цилиндр наполняется свежим воздухом, который недавно поступил. Свободный поршень тянется вверх, так что весь воздух в цилиндре наверху будет проходить по трубе через огонь и приобретет повышенную эластичность, имеющую тенденцию к расширению или увеличению объема, которые огонь может 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, остается 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 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. Воздушные двигатели - это история проб и ошибок, и потребовалось еще 20 лет, прежде чем воздушные двигатели стали использоваться в промышленных масштабах. Первые надежные двигатели горячего воздуха были построены Shaw, Roper, Ericsson. Их было построено несколько тысяч.

Термодинамические циклы

Двигатель горячего воздуха термодинамический цикл может (в идеале) состоять из 3 или более процессы (типичная 4). Процессы могут быть любыми из следующих:

• изотермический процесс (при постоянной температуре, поддерживаемой за счет добавления или отвода тепла от источника тепла или радиатора)
• изобарный процесс (при постоянном давлении)
• изометрический / изохорный процесс (при постоянной громкости)
• адиабатический процесс (рабочая жидкость не нагревается и не удаляется)
  • изэнтропический процесс, обратимый адиабатический процесс (рабочая жидкость не нагревается и не удаляется - и энтропия постоянно)
• изэнтальпический процесс (в энтальпия постоянно)

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

Еще один пример - Цикл Vuilleumier.^[12]

Смотрите также

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

Рекомендации

внешняя ссылка

• Введение в машины цикла Стирлинга
• Пионеры в конструкции воздушных двигателей (Выберите желаемую биографию)
• Аппарат для метода дифференцирования тепла Патент Vuilleumier
• Исследование паровоздушных двигателей XIX века