Šilumos Variklis: ciklas, darbas efektyvumas. Aplinkos problemos šiluminių mašinų. Kas tai - idealus šiluminis variklis?

Dėl naudojimo poreikis mechaninės energijos gamybos atvedė į šiluminių mašinų atsiradimą.

Šilumos sistemų padalinys

Šilumos variklis (šiluminis variklis), - tai įrenginys, skirtas konvertuoti vidaus energiją į mechaninę energiją.

Bet šiluminis variklis turi šildytuvą, darbo skystį (dujų arba garų), kuris atlieka darbus šildant (dėl to sukimosi turbinos veleną, stūmoklio juda, ir tt), o šaldytuvas. Paveikslas apačioje parodo šilumos variklio schemą.

Pagrindai žingsniai šiluminiais varikliais

Kiekvienas šilumos variklio veikimui, dėl variklio. Atlikti darbą jam reikia iš abiejų variklio stūmoklio arba turbinos menčių pusėje buvo slėgių skirtumas. Šis skirtumas yra pasiekiamas visose šiluminiais varikliais taip: darbinis skystis temperatūra yra padidinama iki šimtų ar tūkstančių laipsnių, palyginti su aplinkos temperatūros. Į dujų turbinos ir vidaus degimo variklių (ICE) yra aukštesnė temperatūra dėl to, kad yra deginamas kuras per variklio. Šaldytuvas gali veikti atmosferą ar specialios paskirties prietaisas aušinimo ir kondensacijos panaudotą garą.

Karno ciklas

Ciklo (ciklinis procesas) - iš dujų būklės pokyčių rinkinio, kuris, todėl jis bus grąžintas į pradinę būklę (gali atlikti darbą). 1824, Prancūzijos fizikas Sadi Karno parodė, kad tai yra naudinga šilumos variklio ciklo (Karno ciklas), kuris susideda iš dviejų procesų - izoterminės ir adiabatinius. Paveikslas apačioje pavaizduotas Karno ciklo diagramą: 1-2 ir 3-4 - izoterma, 2-3 ir 4-1 - adiabatinius.

Pagal energijos tvermės darbo šiluminiais varikliais teisės kuris atlieka variklis yra:

A = _Q1 - _Q2,

_1, kur Q - šilumos kiekis, kuris yra gautas iš šildytuvo, ir _Q2 - šilumos kiekis, kad yra siunčiamas į šaldytuvą.
Efektyvumas yra šilumos varikliui veikiant kai vyksta variklį į šilumos kiekį, kuris yra gaunamas iš šildytuvo santykis:

η = A / K = _(Q1 - _Q2) / _Q1 = 1 - _Q2 / _Q1.

Į "mintimis apie varomosios jėgos ugnies ir apie mašinas, kurios galėtų vystyti šį jėga" (1824) aprašė Karno šiluminis variklis pagal pavadinimą "idealus šiluminis variklis su idealiųjų dujų, kuris yra darbo kūno." Dėl to, kad termodinamikos gali apskaičiuoti efektyvumą (maksimalią galimą) su šilumos variklio šildytuvas, kuris turi temperatūra T _1, ir šaldytuvas, kurio temperatūra T _{2 derinimas.} Karno šiluminis variklis efektyvumas yra:

η _maks = (T ₁ - T ₂₎ / T ₁ = 1 - T ₂ / T _1.

Sadi Carnot parodė, kad tai, ką jūs norite tikrą šiluminis variklis, kuris veikia su tuo temperatūros T _{1 šildytuvas,} ir šaldytuve, kurio temperatūra T _2, negalės turėti efektyvumą, kad būtų viršyti šilumos varikliu (idealus) efektyvumą.

Vidaus degimo variklis (ICE)

Keturių taktų vidaus degimo variklis apima vieną arba daugiau cilindrai, stūmokliui, švaistiklio mechanizmas, įsiurbimo ir išmetimo vožtuvų, kibirkštinis.

Darbo ciklas susideda iš keturių smūgių:

1) nečiulpiant - degios mišinys praeitų per vožtuvą į cilindrą;
2) Suspaudimo - abu ventiliai uždarytos;
3) insulto - sprogmens degimo degų mišinį;
4) Išmetimo - išleisti išmetamąsias dujas į atmosferą.

garo turbina

Garo turbina energijos konversija įvyksta dėl to, kad vandens garų slėgiui skirtumo tuo įleidimo ir išleidimo angų.
Maitinimo modernių garo turbinų pasiekti 1300 MW.

Kai kurie techniniai parametrai garo turbiną 1200 MW

• Garų slėgis (šviežios) - 23,5 MPa.
• Garo temperatūra - 540 ° C temperatūroje
• Garo srautas turbina - 3600 m / h.
• Rotoriaus greitis - 3000 aps / min.
• Garų slėgis kondensatoriuje - 3,6 kPa.
• turbina ilgis - 47,9 m.
• Masė turbina - 1900 m.

Šilumos mašina susideda iš oro kompresorius, degimo kameros ir dujų turbiną. Operacija: adiabatiškai oras įsiurbiamas į kompresorių, todėl jo temperatūra yra pakeliama iki 200 ° C arba daugiau. Kitą, kad suspaustas oras patenka į degimo kamerą, kurioje aukšto slėgio vienu metu pateiktą skystą kurą - žibalo photogen mazutas. Per įkaitintą iki 1500-2000 ° C temperatūroje oro kuro degimo, ji plečiasi ir didina savo greitį. Oro juda dideliu greičiu, ir degimo produktai yra nukreipta į turbiną. Po to, kai perėjimo nuo etapo į degimo turbinų menčių duoti kinetinę energiją. Dalis iš turbinos gautos energijos yra kompresorius rotacija; likusi dalis yra suvartojama generatoriaus rotoriaus, rotoriaus orlaivio ar jūrų laivo, transporto priemonės vairo.

Dujų turbinos gali būti naudojamas, be to, sukimosi plokštumos ir transporto priemonės ratų ar oro sraigtų laivo, reaktyvinio variklio. Oro ir degimo dujos yra išleidžiamas dideliu greičiu nuo dujų turbinos, todėl srove trauka, kuri atsiranda šiame procese gali būti naudojami perkelti orlaivių (lėktuvo) ir vandens (laivo laivams), ir geležinkelio transportas. Pavyzdžiui, Turbosraigtinės varikliai turi lėktuvus An-24, An-124 ( "Ruslanas"), Ru-225 ( "sapnas"). Taigi, "Svajonių" ne skrydžio greitis 700-850 km / h yra pajėgi vykdyti 250 tonų krovinių per beveik 15.000 kilometrų. Tai yra didžiausia transporto lėktuvas pasaulyje.

Aplinkos problemos šiluminių mašinų

Puikus poveikis klimato yra atmosferos sąlygos, ypač anglies dioksido ir vandens garų buvimą. Taigi, anglinio dioksido kiekio pokytis veda prie padidėjimo arba sumažėjimo šiltnamio efekto, kuriame anglies dioksido sugeria kai kurie iš šilumos, kad spinduliuoja į žemę vietą, vėlavimo atmosferoje didėja ir tokiu būdu paviršiaus temperatūros ir apatinių atmosferos sluoksnių. Iš šiltnamio efekto reiškinys vaidina lemiamą vaidmenį klimato kaitos mažinimo. Jei jos nėra, vidutinė temperatūra planetoje nebūtų +15 ° C ir mažesnės 30-40 ° C temperatūroje

pasaulyje dabar yra daugiau nei 300 milijonų įvairių tipų transporto priemonių, kurios sukuria daugiau kaip pusė visų oro taršos.

Daugiau nei 1 m į atmosferą iš šiluminės galios nuo kuro degimo skiriama 150 mln tonų sieros oksidų, 50 milijonų tonų azoto oksido, 50 milijonų tonų pelenų, 200 mln tonų anglies monoksido, 3 milijonų tonų Feona.

Atmosferos sudėtį įeina ozonas, kuris apsaugo visą gyvybę Žemėje nuo žalingo ultravioletinių spindulių poveikio. 1982 m., John Farman, Britų tyrinėtojas, buvo atrastas per Antarktidos ozono skylė - laikinai sumažinti ozono kiekis atmosferoje. Tuo ozono skylė 1987 spalio 7 piko ozono kiekis jame sumažėjo 2 kartus. Ozono skylė tikriausiai atsirado iš antropogeninių veiksnių, įskaitant naudoti chloro, kurių sudėtyje yra freono (CFC), kurios sunaikina ozono sluoksnį pramonėje. Tačiau 1990 tyrimas. nepatvirtino šios nuomonės. Labiausiai tikėtina, kad ozono skylė atsiradimas nėra susijęs su žmogaus veikla, o natūralus procesas. 1992 metais ozono skylė buvo atrasta daugiau nei Arktyje.

Jei surenkant visą atmosferos ozono sluoksnį Žemės paviršiaus ir sustorėti jį į oro tankis esant atmosferos slėgiui ir 0 ° C temperatūroje, tada ozono skydas storis yra tik 2-3 mm! Štai visa skydas.

Truputis istorijos ...

• Liepos 1769. Paryžiuje Meudon parko karo inžinierius NZ Kyunyo į "gaisro vagonas", kuris buvo aprūpintas dviejų cilindrų garo variklis, važiavo kelias dešimtis metrų.
• 1885. Karl Benz, Vokietijos inžinierius, pastatyta pirmoji keturių ratų benzinas automobilių Motorwagen galią 0,66 kW, o sausio 29 1886 gavo patentą. Mašina greitis buvo 15-18 km / val.
• 1891. Gottlieb Daimler, vokiečių išradėjas, pagaminti vežimėlis vairuoti galios 2,9 kW (4 horsepowers) automobilio. Maksimalus greitis transporto priemonės pasiekia 10 km / h, per skirtingų modelių talpa yra nuo 2 iki 5 tonų.
• 1899. Belgijos K. Zhenattsi savo automobilį, "Jamet Contant" ( "niekada patenkintas") pirmą kartą kirto 100 kilometrų geležinkelio linijos greitis.

Pavyzdžiai spręsti problemas

Problema 1. šildytuvo idealios šilumos aušinimo skysčio temperatūra lygi 2000 K, ir šaldytuvas temperatūra - 100 ° C temperatūroje Norėdami nustatyti efektyvumą.

sprendimas:
Formulė, kad nustato šilumos varikliu (maksimumas) efektyvumą:

n = T _1, T ₂ / T _1.
n = (2000K - 373K) / 2000 K = 0,81.

A: variklio efektyvumas - 81%.

Problema 2. Šilumos variklis 200 kJ šilumos buvo gautas deginant kuro, ir perkelti į aušintuvas 120 kJ šilumos. Kas yra variklio efektyvumas?

sprendimas:
Pagrindas nustatyti efektyvumą formulė yra tokios formos:

n = Q1 - Q2 / Q1.
n = (2 × 10 ⁵ J - 1,2 x 10 ⁵ J) / 2 x 10 ⁵ J = 0,4.

A: šiluminis efektyvumas variklio - 40%.

Problema 3. Kas yra šilumos variklio efektyvumas, kai darbinis skystis iš šildytuvo gavusi karščio 1,6 MJ sumą atlikta operacija 400 kJ? Kas yra šilumos kiekis buvo perkelta į šaldytuvą?

sprendimas:
Efektyvumas gali būti nustatomas pagal formulę

n = A / _Q1.

n = 0,4 · 10 ⁶ J / 1.6 · 10 ⁶ J = 0,25.

Perduodami šaldytuvas šilumos kiekis gali būti nustatomas pagal formulę

_Q1 - A = _Q2.
Q2 = 1,6 · 10 ⁶ J - 0,4 · 10 ⁶ J = 1,2 · 10 ⁶ J.
A: šiluminis variklis turi apie 25% efektyvumą; šilumos kiekis perkeliamas į šaldytuvą - 1,2 · 10 ⁶ J.