Horkovzdušný motor - Hot air engine

Termodynamika
Klasický Carnotův tepelný motor
Pobočky Klasický Statistický Chemikálie Kvantová termodynamika Rovnováha  / Nerovnováha
Zákony Zeroth První Druhý Třetí
Systémy Stát Stavová rovnice Ideální plyn Skutečný plyn Stav hmoty Rovnováha Ovládejte hlasitost Nástroje Procesy Izobarický Izochorický Izotermický Adiabatický Isentropic Isenthalpic Kvazistatický Polytropní Bezplatná expanze Reverzibilita Nevratnost Endoreversibility Cykly Tepelné motory Tepelná čerpadla Tepelná účinnost
Systémové vlastnosti Poznámka: Konjugujte proměnné v kurzíva Diagramy vlastností Intenzivní a rozsáhlé vlastnosti Procesní funkce Práce Teplo Funkce státu Teplota  / Entropie  (úvod ) Tlak  / Objem Chemický potenciál  / Číslo částic Kvalita páry Snížené vlastnosti
Vlastnosti materiálu Databáze nemovitostí Specifická tepelná kapacita   ${ displaystyle c =}$ ${ displaystyle T}$ ${ displaystyle částečné S}$ ${ displaystyle N}$ ${ displaystyle částečné T}$ Stlačitelnost   ${ displaystyle beta = -}$ ${ displaystyle 1}$ ${ displaystyle částečné V}$ ${ displaystyle V}$ ${ displaystyle částečný p}$ Teplotní roztažnost   ${ displaystyle alpha =}$ ${ displaystyle 1}$ ${ displaystyle částečné V}$ ${ displaystyle V}$ ${ displaystyle částečné T}$
Rovnice Carnotova věta Clausiova věta Základní vztah Zákon o ideálním plynu Maxwellovy vztahy Vzájemné vztahy Onsager Bridgmanovy rovnice Tabulka termodynamických rovnic
Potenciál Energie zdarma Zdarma entropie Vnitřní energie ${ displaystyle U (S, V)}$ Entalpie ${ displaystyle H (S, p) = U + pV}$ Helmholtzova volná energie ${ displaystyle A (T, V) = U-TS}$ Gibbsova volná energie ${ displaystyle G (T, p) = H-TS}$
Dějiny Kultura Dějiny Všeobecné Entropie Zákony o plynu Stroje „Perpetual Motion“ Filozofie Entropie a čas Entropie a život Brownova ráčna Maxwellův démon Paradox smrtelné smrti Loschmidtův paradox Synergetika Teorie Kalorická teorie Teorie tepla Vis viva („živá síla“) Mechanický ekvivalent tepla Hnací síla Klíčové publikace "Experimentální dotaz Co se týče ... tepla " "V rovnováze Heterogenní látky " "Úvahy o Hnací síla ohně " Časové osy Termodynamika Tepelné motory Umění Vzdělávání Maxwellův termodynamický povrch Entropie jako rozptýlení energie
Vědci Bernoulli Boltzmann Carnot Clapeyron Clausius Carathéodory Duhem Gibbs von Helmholtz Joule Maxwell von Mayer Onsager Rankine Smeaton Stahl Thompson Thomson van der Waals Waterston
Rezervovat Kategorie

Ilustrace horkovzdušného motoru s nízkým teplotním rozdílem (LTD). 1. Výkonový píst, 2. Studený konec válce, 3. Píst posunovače 4. Horký konec válce Q1. Zahřejte, Q2. Zahřejte.

A horkovzdušný motor^[1] (historicky nazývaný vzduchový motor nebo kalorický motor^[2]) je libovolný tepelný motor který využívá expanzi a kontrakci vzduch pod vlivem změny teploty převést Termální energie do mechanické práce. Tyto motory mohou být založeny na řadě termodynamické cykly zahrnující obě zařízení s otevřeným cyklem, jako například zařízení z Sir George Cayley^[3] a John Ericsson^[4] a motor s uzavřeným cyklem v Robert Stirling.^[5] Horkovzdušné motory se liší od známějšího spalovacího motoru a parního stroje.

V typické implementaci je vzduch opakovaně ohříván a ochlazován v a válec a výsledná expanze a kontrakce se používají k pohybu a píst a vyrábět užitečné mechanické práce.

Definice

A praxinoscope od Ernsta Planka z Norimberk, Německo a poháněn miniaturním horkovzdušným motorem. Nyní je ve sbírce Thinktank, Birmingham Science Museum.

Pojem „horkovzdušný motor“ výslovně vylučuje jakýkoli motor vykonávající a termodynamický cyklus ve kterém pracovní tekutina prochází a fázový přechod, tak jako Rankinův cyklus. Vyloučeny jsou také konvenční vnitřní spalovací motory, ve kterém se teplo přidává do pracovní tekutiny spalováním paliva v pracovním válci. Typy s nepřetržitým spalováním, jako např George Brayton Ready Motor a související plynová turbína, lze považovat za hraniční případy.

Dějiny

Expanzivní vlastnost ohřátého vzduchu byla známa starým lidem. Hrdina Alexandrie je Pneumatica popisuje zařízení, která lze použít k automatickému otevření dveří chrámu, když byl na obětním oltáři zapálen oheň. Zařízení zvaná horkovzdušné motory nebo jednoduše vzduchové motory, byly zaznamenány již od roku 1699. V roce 1699 Guillaume Amontons (1663–1705) předložil Královské akademii věd v Paříži zprávu o svém vynálezu: kolo, které se nechalo zatočit teplem.^[6] Kolo bylo namontováno svisle. Kolem náboje kola byly komory naplněné vodou. Vzduchem naplněné komory na ráfku kola byly ohřívány ohněm pod jednou stranou kola. Ohřátý vzduch expandoval a pomocí trubek tlačil vodu z jedné komory do druhé, vyvažoval kolo a způsobil jeho otáčení.

Vidět:

• Amontons (20. června 1699) „Moyen de substituer commodement l'action du feu, à la force des hommes et des chevaux pour mouvoir les machines“ (Prostředky k pohodlnému nahrazení působení ohně silou mužů a koní za účelem pohybu [tj. Silových] strojů), Mémoires de l'Académie Royale des Sciences, strany 112-126. The Mémoires se objeví v Histoire de l'Académie Royale des Sciences, année 1699, který byl vydán v roce 1732. Provoz Amontonova moulin à feu (požární mlýn) je vysvětlen na stranách 123-126; jeho stroj je zobrazen na štítku následující straně 126.
• Popis požárně poháněného kola Amontons v angličtině viz: Robert Stuart, Historické a popisné anekdoty parních strojů a jejich vynálezců a zlepšovatelů (London, England: Wightman and Cramp, 1829), sv. 1, stránky 130-132 ; na zařízení se objeví ilustrace stroje ^[7] v době, kdy zákony o plynování byly poprvé stanoveny a rané patenty zahrnují ty z Henry Wood, Vikář z High Ercall poblíž Coalbrookdale Shropshire (anglický patent 739 z 1759) a Thomas Mead, inženýr z Sculcoats Yorkshire (anglický patent 979 z 1791),^[8] posledně uvedená obsahuje zejména základní prvky a posunovač motor typu (Mead to nazval převodníkem). Je nepravděpodobné, že by některý z těchto patentů vyústil ve skutečný motor a nejdříve proveditelným příkladem byl pravděpodobně otevřený cyklus pec plynový motor anglického vynálezce Sir George Cayley C. 1807^[9][10]

Je pravděpodobně, že Robert Stirling je vzduchový motor z roku 1818, který začlenil jeho inovativní Ekonomizér (patentován v roce 1816) byl prvním vzduchovým motorem použitým v praxi.^[11] Ekonomizér, nyní známý jako regenerátor, ukládal teplo z horké části motoru, když vzduch procházel na studenou stranu, a uvolňoval teplo do ochlazeného vzduchu, když se vracel na horkou stranu. Tato inovace zlepšila účinnost Stirlingova motoru a měla by být přítomna v každém vzduchovém motoru, který je správně nazýván a Stirlingův motor.

Stirling patentoval druhý horkovzdušný motor spolu se svým bratrem Jamesem v roce 1827. Převrátili konstrukci tak, aby horké konce výtlaků byly pod strojním zařízením, a přidali čerpadlo stlačeného vzduchu, aby bylo možné zvýšit tlak vzduchu na kolem 20 atmosfér. Uvádí Chambers, že byl neúspěšný kvůli mechanickým vadám a „nepředvídané akumulaci tepla, které není zcela odsáváno síty nebo malými průchody v chladné části regenerátoru, jehož vnější povrch nebyl dostatečně velký, aby když motor pracoval s vysoce stlačeným vzduchem, odvádějte nezotavené teplo. “

Parkinson a Crossley, anglický patent, 1828, přišli s vlastním horkovzdušným motorem. V tomto motoru je vzduchová komora částečně vystavena ponoření ve studené vodě vnějšímu chladu a její horní část je ohřívána párou. Vnitřní nádoba se v této komoře pohybuje nahoru a dolů a tím vytlačuje vzduch, přičemž jej střídavě vystavuje teplým a studeným vlivům studené vody a horké páry, měnící její teplotu a expanzivní stav. Kolísání způsobuje vratný pohyb pístu ve válci, na jehož konci je střídavě připojena vzduchová komora.

V roce 1829 Arnott patentoval svůj vzduchový expanzní stroj, kde je oheň umístěn na roštu blízko dna blízkého válce a válec je plný čerstvého vzduchu. Uvolněný píst je tažen nahoru, takže veškerý vzduch ve válci nahoře projde trubkou ohněm a dostane zvýšenou pružnost s tendencí k expanzi nebo zvětšení objemu, které mu oheň může dát. .

Za ním příští rok (1830) následuje kapitán Ericsson, který si nechal patentovat svůj druhý horkovzdušný motor. Specifikace to konkrétněji popisuje jako sestávající z „kruhové komory, ve které je kužel otočen na hřídeli nebo ose pomocí listů nebo křídel, střídavě vystavených tlaku páry; tato křídla nebo listy jsou dány do práce štěrbinami nebo otvory kruhové roviny, která se šikmo otáčí, a je tak udržována v kontaktu se stranou kužele. “

Ericsson postavil svůj třetí horkovzdušný motor (kalorický motor) v roce 1833, což vzbudilo tolik zájmu před několika lety v Anglii; a který, pokud by měl být uveden do praktického provozu, prokáže nejdůležitější mechanický vynález, jaký kdy lidská mysl vytvořila, a ten, který přinese civilizovanému životu větší výhody, než jakýkoli, který mu kdy předcházel. Jde o to, aby výroba mechanické energie působením tepla při tak mimořádně malém výdaji na pohonné hmoty měla člověka na jeho příkaz téměř neomezenou mechanickou sílu v oblastech, kde lze nyní tvrdit, že palivo neexistuje. .

Rok 1838 uvádí patent horkovzdušného motoru Franchot, jistě horkovzdušného motoru, který nejlépe vyhovoval Carnotovým požadavkům.

Zatím byly všechny tyto letecké motory neúspěšné, ale technologie dozrála. V roce 1842 postavil James Stirling, bratr Roberta, slavný Dundee Stirling Engine. Ten trval minimálně 2–3 roky, ale poté byl kvůli nevhodným technickým vymoženostem přerušen. Horkovzdušné motory jsou příběhem pokusů a omylů a trvalo dalších 20 let, než mohly být horkovzdušné motory použity v průmyslovém měřítku. První spolehlivé horkovzdušné motory byly vyrobeny firmou Shaw, Roper, Ericsson. Bylo jich postaveno několik tisíc.

Termodynamické cykly

Horkovzdušný motor termodynamický cyklus mohou (v ideálním případě) být vyrobeny ze 3 nebo více procesy (typicky 4). Procesy mohou být kterékoli z těchto:

• izotermický proces (při konstantní teplotě udržované s přidávaným nebo odebíraným teplem ze zdroje tepla nebo jímky)
• izobarický proces (při konstantním tlaku)
• izometrický / izochorický proces (při stálém objemu)
• adiabatický proces (z pracovní tekutiny se nepřidává ani neodstraňuje žádné teplo)
  • isentropický proces, reverzibilní adiabatický proces (z pracovní tekutiny se nepřidává ani neodvádí žádné teplo - a entropie je konstantní)
• isenthalpický proces (dále jen entalpie je konstantní)

Některé příklady (ne všechny horkovzdušné cykly, jak jsou definovány výše) jsou následující:

Dalším příkladem je Vuilleumierův cyklus.^[12]

Viz také

• Stirlingův motor
• Termoakustický horkovzdušný motor
• Manson-Guise Engine
• Plamen-lízat motor
• Carnotův tepelný motor
• Časová osa technologie tepelných motorů

Reference

externí odkazy

• Úvod do strojů se Stirlingovým cyklem
• Průkopníci v konstrukci vzduchových motorů (Vyberte požadovaný životopis)
• Zařízení pro metodu tepelné diferenciace Patent Vuilleumier
• Dotaz na horkovzdušné motory 19. století