Šilumos variklio naudingumo koeficientas vadinamas. Kaip išdėstyti ir kaip veikia šiluminiai varikliai? Anksčiau gamta grėsė žmogui, o dabar žmogus kelia grėsmę gamtai.
šiluminis variklis - prietaisas, paverčiantis vidinę sudegusio kuro energiją į mechaninę energiją. Šilumos variklių tipai : 1) vidaus degimo varikliai: a) dyzelinas, b) karbiuratorius; 2) garo varikliai; 3) turbinos: a) dujos, b) garas.
Visi šie šilumos varikliai turi skirtingą dizainą, tačiau susideda iš trys pagrindinės dalys : šildytuvas, darbinė terpė ir šaldytuvas. Šildytuvas suteikia šilumą varikliui. darbinis kūnas dalį gautos šilumos paverčia mechaniniu darbu. Šaldytuvas paima dalį šilumos iš darbinio skysčio.
T1– šildytuvo temperatūra;
T2– šaldytuvo temperatūra;
Q1- gauta šiluma
iš šildytuvo;
Q2- išsiskirianti šiluma
šaldytuvas;
A"- darbas pabaigtas
variklis.
Bet kurio šilumos variklio veikimas susideda iš pasikartojančių ciklinių procesų – ciklų. Ciklas - tai tokia termodinaminių procesų seka, dėl kurios sistema grįžta į pradinę būseną.
Efektyvumo koeficientas (COP)
šilumos variklis – tai variklio atlikto darbo ir iš šildytuvo gaunamos šilumos kiekio santykis: 
.
Prancūzų inžinierius Sadi Carnot svarstė idealus šiluminis variklis
su idealiomis dujomis kaip darbiniu skysčiu. Jis rado optimalų idealų šilumos variklio ciklą, susidedantį iš dviejų izoterminių ir dviejų adiabatinių grįžtamųjų procesų - Carnot ciklas
. Tokio šiluminio variklio su šildytuvu, kurio temperatūra ir šaldytuvu, efektyvumas: 
. Nepriklausomai nuo šilumos variklio konstrukcijos, darbinio skysčio pasirinkimo ir procesų tipo, jo efektyvumas negali būti didesnis nei šilumos variklio, veikiančio pagal Carnot ciklą ir turinčio tokias pačias šildytuvo ir aušintuvo temperatūras, kaip ir šio šilumos variklio, efektyvumą.
Šilumos variklių efektyvumas mažas, todėl svarbiausias techninis uždavinys – jį padidinti. Šilumos varikliai turi du reikšmingus trūkumus. Pirma, dauguma šiluminių variklių naudoja iškastinį kurą, kurio gavyba sparčiai eikvoja planetos išteklius. Antra, dėl kuro degimo į aplinką patenka didžiulis kiekis kenksmingų medžiagų, o tai sukelia didelių aplinkos problemų.
Vokiečių fiziko R. Klasiaus atradimas 1850 metais siejamas su šiluminių variklių maksimalaus efektyvumo klausimo tyrimu. antrasis termodinamikos dėsnis : neįmanomas toks procesas, kurio metu šiluma spontaniškai pereitų iš šaltesnių kūnų į karštesnius.
Fiziniai kiekiai ir jų matavimo vienetai:
| Vardo reikšmė | Paskyrimas | Matavimo vienetas | Formulė |
| Santykinė molekulinė masė | Ponas(oi) | bematis kiekis | |
| Vienos molekulės (atomo) masė | m0 | kilogramas | |
| Svoris | m | kilogramas | |
| Molinė masė | M |  |
|
| Medžiagos kiekis | ν (nuogas) | apgamas(mol) | ; |
| Dalelių skaičius | N(lt) | bematis kiekis | |
| Slėgis | p(pe) | Pa(paskalis) | |
| Koncentracija | n(lt) | ||
| Apimtis | V(ve) | ||
| Vidutinė kinetinė energija judėjimas į priekį molekules | J(džaulis) | ||
| Celsijaus temperatūra | t | °C | |
| Temperatūra Kelvinas | T | KAM(kelvinas) | |
| Molekulių vidutinis kvadratinis greitis | |||
| Paviršiaus įtempimas | σ (sigma) | ||
| Absoliuti drėgmė | ρ (ro) | ||
| Santykinė drėgmė | φ (fi) | % | |
| Vidinė energija | U(y) | J(džaulis) | |
| Darbas | BET(bet) | J(džaulis) | |
| Šilumos kiekis | K(ku) | J(džaulis) |
Nuo seniausių laikų žmonės bandė energiją paversti mechaniniu darbu. Jie transformavosi kinetinė energija vėjas, potenciali vandens energija ir kt. Nuo XVIII amžiaus pradėjo atsirasti mašinos, kurios vidinę kuro energiją paverčia darbu. Tokios mašinos dirbo šiluminių variklių dėka.
Šilumos variklis – tai įrenginys, kuris dėl plėtimosi (dažniausiai dujų) nuo aukštos temperatūros šiluminę energiją paverčia mechaniniu darbu.
Bet kokie šiluminiai varikliai turi komponentų:
- Šildymo elementas. kūnas su aukštos temperatūros palyginti aplinką.
- darbinis kūnas. Kadangi plėtra suteikia darbo, šis elementas turi gerai plėstis. Paprastai naudojamos dujos arba garai.
- aušintuvas. Kūnas su žema temperatūra.
Darbinis skystis gauna šiluminę energiją iš šildytuvo. Dėl to jis pradeda plėstis ir dirbti. Kad sistema vėl veiktų, ji turi būti grąžinta į pradinę būseną. Todėl darbinis skystis atšaldomas, tai yra perteklius šiluminė energija, tarsi įmestas į aušinimo elementą. Ir sistema patenka į pradinę būseną, tada procesas kartojasi dar kartą.
Efektyvumo skaičiavimas
Norėdami apskaičiuoti efektyvumą, pateikiame šią žymą:
Q 1 – šilumos kiekis, gautas iš kaitinimo elemento
A’ – darbo organo atliktas darbas
Q 2 – šilumos kiekis, kurį darbinis skystis gauna iš aušintuvo
Aušinimo procese kūnas perduoda šilumą, todėl Q 2< 0.
Tokio įrenginio veikimas yra cikliškas procesas. Tai reiškia, kad atlikus pilnas ciklas, vidinė energija grįš į pradinę būseną. Tada pagal pirmąjį termodinamikos dėsnį darbinio skysčio atliktas darbas bus lygus skirtumui tarp šilumos kiekio, gaunamo iš šildytuvo, ir šilumos, gaunamos iš aušintuvo:
Q 2 yra neigiama reikšmė, todėl ji imama modulio
Efektyvumas išreiškiamas kaip naudingo darbo santykis su visu sistemos atliktu darbu. Tokiu atveju bendras darbas bus lygus šilumos kiekiui, kuris sunaudojamas darbiniam skysčiui šildyti. Visa sunaudota energija išreiškiama per Q 1 .
Šiuolaikinės realybės apima platų šilumos variklių asortimentą. Daugybė bandymų juos pakeisti elektros varikliais iki šiol žlugo. Problemos, susijusios su elektros energijos kaupimu autonominėse sistemose, sprendžiamos labai sunkiai.
Vis dar aktualios elektros energijos akumuliatorių gamybos technologijos problemos, atsižvelgiant į ilgalaikį jų naudojimą. Elektromobilių greičio charakteristikos toli gražu skiriasi nuo automobilių su vidaus degimo varikliais.
Pirmieji žingsniai hibridinių variklių kūrimo link gali ženkliai sumažinti kenksmingų išmetamųjų teršalų kiekį megapoliuose, sprendžiant aplinkosaugos problemas.
Truputis istorijos
Galimybė paversti garo energiją judėjimo energija buvo žinoma senovėje. 130 m. pr. Kr.: Filosofas Heronas iš Aleksandrijos pristatė žiūrovams garų žaislą – aeolipilį. Sfera, užpildyta garais, pradėjo suktis veikiama iš jos sklindančių čiurkšlių. Šis modernių garo turbinų prototipas tais laikais nerado pritaikymo.
Daugelį metų ir šimtmečių filosofo tobulėjimas buvo laikomas tik smagiu žaislu. 1629 metais italas D. Branchi sukūrė aktyvią turbiną. Garai paleido diską su ašmenimis.
Nuo to momento prasidėjo spartus garo variklių vystymasis.
šiluminis variklis
Kuro pavertimas energija, skirta mašinų ir mechanizmų dalims judėti, naudojamas šilumos varikliuose.
Pagrindinės mašinų dalys: šildytuvas (sistema energijai gauti iš išorės), darbinis skystis (atlieka naudingą veiksmą), šaldytuvas.
Šildytuvas sukurtas taip, kad darbinis skystis sukauptų pakankamai vidinės energijos naudingiems darbams atlikti. Šaldytuvas pašalina energijos perteklių.
Pagrindinė efektyvumo charakteristika vadinama šilumos variklių efektyvumu. Ši vertė parodo, kokia dalis šildymui sunaudojamos energijos išleidžiama naudingiems darbams atlikti. Kuo didesnis efektyvumas, tuo pelningesnis mašinos darbas, tačiau ši vertė negali viršyti 100%.
Efektyvumo skaičiavimas
Tegul šildytuvas iš išorės gauna energiją, lygią Q 1 . Darbinis skystis veikė A, o šaldytuvui suteikta energija buvo Q 2 .
Remdamiesi apibrėžimu, apskaičiuojame efektyvumą:
η= A / Q 1 . Atsižvelgiame į tai, kad A \u003d Q 1 - Q 2.
Iš čia šiluminio variklio, kurio formulė yra η = (Q 1 - Q 2) / Q 1 = 1 - Q 2 / Q 1, efektyvumas leidžia padaryti tokias išvadas:
- Efektyvumas negali viršyti 1 (arba 100%);
- norint maksimaliai padidinti šią vertę, reikia arba padidinti iš šildytuvo gaunamą energiją, arba sumažinti šaldytuvui skiriamą energiją;
- šildytuvo energijos padidėjimas pasiekiamas keičiant kuro kokybę;
- sumažinus šaldytuvui skiriamą energiją, galima pasiekti variklių konstrukcines savybes.
Idealus šilumos variklis
Ar įmanoma sukurti tokį variklį, kurio efektyvumas būtų maksimalus (idealiu atveju lygus 100%)? Atsakymą į šį klausimą bandė rasti prancūzų fizikas teoretikas ir talentingas inžinierius Sadi Carnot. 1824 m. buvo paskelbti jo teoriniai skaičiavimai apie dujose vykstančius procesus.
Pagrindinė idealios mašinos idėja yra atlikti grįžtamuosius procesus su idealiomis dujomis. Pradedame nuo dujų izoterminio plėtimosi esant temperatūrai T 1 . Tam reikalingas šilumos kiekis Q 1. Dujoms išsiplėtus be šilumos mainų Pasiekusios temperatūrą T 2, dujos suspaudžiamos izotermiškai, perduodant energiją Q 2 į šaldytuvą. Dujų grįžimas į pradinę būseną yra adiabatinis.
Idealaus Carnot šiluminio variklio efektyvumas, kai tiksliai apskaičiuojamas, yra lygus šildymo ir vėsinimo įrenginių temperatūrų skirtumo ir šildytuvo temperatūros santykiui. Tai atrodo taip: η=(T 1 - T 2)/ T 1.
Galimas šiluminio variklio, kurio formulė: η= 1 - T 2 / T 1, naudingumo koeficientas priklauso tik nuo šildytuvo ir aušintuvo temperatūros ir negali būti didesnis nei 100%.
Be to, šis koeficientas leidžia įrodyti, kad šiluminių variklių efektyvumas gali būti lygus vienetui tik tada, kai šaldytuvas pasiekia temperatūrą. Kaip žinote, ši vertė nepasiekiama.
Karno teoriniai skaičiavimai leidžia nustatyti maksimalų bet kokios konstrukcijos šilumos variklio efektyvumą.
Karno įrodyta teorema yra tokia. Savavališko šiluminio variklio naudingumo koeficientas jokiu būdu negali būti didesnis už tą pačią idealaus šilumos variklio naudingumo vertę.
Problemos sprendimo pavyzdys
1 pavyzdys Koks idealaus šiluminio variklio naudingumo koeficientas, jei šildytuvo temperatūra yra 800°C, o šaldytuvo – 500°C žemesnė?
T 1 \u003d 800 o C \u003d 1073 K, ∆T \u003d 500 o C = 500 K, η -?
Pagal apibrėžimą: η=(T 1 - T 2)/ T 1.
Mums pateikiama ne šaldytuvo temperatūra, o ∆T = (T 1 - T 2), iš čia:
η \u003d ∆T / T 1 \u003d 500 K / 1073 K \u003d 0,46.
Atsakymas: efektyvumas = 46%.
2 pavyzdys Nustatykite idealaus šiluminio variklio naudingumo koeficientą, jei dėl įgytos vieno kilodžaulio šildytuvo energijos atliekama 650 J naudingo darbo Kokia šilumos variklio šildytuvo temperatūra, jei aušinimo skysčio temperatūra yra 400 K?
Q 1 \u003d 1 kJ \u003d 1000 J, A = 650 J, T 2 = 400 K, η -?, T 1 \u003d?
Šioje užduotyje mes kalbame apie šiluminę instaliaciją, kurios efektyvumą galima apskaičiuoti pagal formulę:
Norėdami nustatyti šildytuvo temperatūrą, naudojame idealaus šilumos variklio efektyvumo formulę:
η \u003d (T 1 - T 2) / T 1 \u003d 1 - T 2 / T 1.
Atlikę matematines transformacijas gauname:
T 1 \u003d T 2 / (1- η).
T 1 \u003d T 2 / (1- A / Q 1).
Paskaičiuokime:
η = 650 J / 1000 J = 0,65.
T 1 \u003d 400 K / (1-650 J / 1000 J) = 1142,8 K.
Atsakymas: η \u003d 65%, T 1 \u003d 1142,8 K.
Realios sąlygos
Idealus šilumos variklis sukurtas atsižvelgiant į idealius procesus. Darbas atliekamas tik izoterminiuose procesuose, jo reikšmė apibrėžiama kaip sritis, kurią riboja Carnot ciklo grafikas.
Tiesą sakant, neįmanoma sudaryti sąlygų keisti dujų būseną be temperatūros pokyčių. Nėra medžiagų, kurios pašalintų šilumos mainus su aplinkiniais objektais. Adiabatinis procesas nebeįmanomas. Šilumos perdavimo atveju būtinai turi keistis dujų temperatūra.
Realiomis sąlygomis sukurtų šiluminių variklių efektyvumas gerokai skiriasi nuo idealių variklių efektyvumo. Atkreipkite dėmesį, kad procesai tikruose varikliuose yra tokie greiti, kad darbinės medžiagos vidinės šiluminės energijos kitimo keičiant jos tūrį negali kompensuoti šilumos patekimas iš šildytuvo ir grįžimas į aušintuvą.
Kiti šiluminiai varikliai
Tikri varikliai veikia skirtingais ciklais:
- Otto ciklas: procesas esant pastoviam tūriui kinta adiabatiškai, sukuriant uždarą ciklą;
- Dyzelino ciklas: izobaras, adiabatas, izochoras, adiabatas;
- esant pastoviam slėgiui vykstantis procesas pakeičiamas adiabatiniu, uždarant ciklą.
Sukurkite pusiausvyros procesus tikruose varikliuose (kad priartintumėte juos prie idealių) sąlygomis moderni technologija neatrodo įmanoma. Šiluminių variklių efektyvumas yra daug mažesnis, net atsižvelgiant į tuos pačius temperatūros režimus, kaip ir idealioje šiluminėje instaliacijoje.
Tačiau neturėtumėte sumažinti efektyvumo skaičiavimo formulės vaidmens, nes būtent ji tampa atspirties tašku didinant tikrų variklių efektyvumą.
Efektyvumo keitimo būdai
Lyginant idealius ir tikrus šilumos variklius, verta atkreipti dėmesį į tai, kad pastarųjų šaldytuvo temperatūra negali būti bet kokia. Paprastai atmosfera laikoma šaldytuvu. Atmosferos temperatūrą galima paimti tik apytiksliais skaičiavimais. Patirtis rodo, kad aušinimo skysčio temperatūra lygi išmetamųjų dujų temperatūrai varikliuose, kaip ir vidaus degimo varikliuose (sutrumpintai – vidaus degimo varikliai).
ICE yra labiausiai paplitęs šilumos variklis mūsų pasaulyje. Šilumos variklio efektyvumas šiuo atveju priklauso nuo degančio kuro sukuriamos temperatūros. Esminis skirtumas tarp vidaus degimo variklio ir garo variklių yra šildytuvo ir įrenginio darbinio skysčio funkcijų sujungimas oro ir kuro mišinyje. Degdamas mišinys sukuria spaudimą judančioms variklio dalims.
Darbinių dujų temperatūros padidėjimas pasiekiamas žymiai pakeitus kuro savybes. Deja, to daryti neribotą laiką neįmanoma. Bet kuri medžiaga, iš kurios pagaminta variklio degimo kamera, turi savo lydymosi temperatūrą. Tokių medžiagų atsparumas karščiui yra pagrindinė variklio charakteristika, taip pat galimybė reikšmingai paveikti efektyvumą.
Variklio naudingumo vertės
Jei laikysime darbinių garų, kurių įleidimo angoje yra 800 K, o išmetamųjų dujų - 300 K, temperatūrą, tada šios mašinos efektyvumas yra 62%. Realiai ši vertė neviršija 40 proc. Toks sumažėjimas atsiranda dėl šilumos nuostolių kaitinant turbinos korpusą.
Didžiausia vidaus degimo vertė neviršija 44%. Šios vertės didinimas – artimiausios ateities reikalas. Medžiagų, degalų savybių keitimas yra problema, su kuria dirba geriausi žmonijos protai.
Teoriniame šilumos variklio modelyje nagrinėjami trys kūnai: šildytuvas, darbinis kūnas Ir šaldytuvas.
Šildytuvas – terminis rezervuaras (didelis korpusas), kurio temperatūra yra pastovi.
Kiekviename variklio veikimo cikle darbinis skystis gauna tam tikrą šilumos kiekį iš šildytuvo, plečiasi ir atlieka mechaninį darbą. Norint grąžinti darbinį skystį į pradinę būseną, reikia dalį energijos, gautos iš šildytuvo, perkelti į šaldytuvą.
Kadangi modelyje daroma prielaida, kad veikiant šiluminiam varikliui šildytuvo ir šaldytuvo temperatūra nesikeičia, tai ciklo pabaigoje: darbinio skysčio kaitinimas-išsiplėtimas-aušinimas-suspaudimas, laikoma, kad mašina grįžta į pradinę būseną.
Kiekvienam ciklui, remiantis pirmuoju termodinamikos dėsniu, galime parašyti, kad šilumos kiekis K apkrova gauta iš šildytuvo, šilumos kiekis | K kietas |, atiduotas i šaldytuvą, ir darbo organo atliktas darbas BET yra susiję vienas su kitu:
A = K krovinys – | Kšalta|.
Realiuose techniniuose įrenginiuose, kurie vadinami šiluminiais varikliais, darbinis skystis kaitinamas šiluma, išsiskiriančia degant kurui. Taigi elektrinės garo turbinoje šildytuvas yra krosnis su karštomis anglimis. Vidaus degimo variklyje (ICE) degimo produktai gali būti laikomi šildytuvu, o oro perteklius – darbiniu skysčiu. Kaip šaldytuvas, jie naudoja atmosferos orą arba vandenį iš natūralių šaltinių.
Šilumos variklio (mašinos) efektyvumas
Šilumos variklio efektyvumas (efektyvumas) yra variklio atlikto darbo ir iš šildytuvo gaunamos šilumos kiekio santykis:
Bet kurio šiluminio variklio naudingumo koeficientas yra mažesnis nei vienas ir išreiškiamas procentais. Iš antrojo termodinamikos dėsnio išplaukia iš antrojo termodinamikos dėsnio neįmanoma paversti viso iš šildytuvo gaunamos šilumos kiekio mechaniniu darbu.
Tikruose šiluminiuose varikliuose efektyvumą lemia eksperimentinė mechaninė galia N variklis ir sudeginto kuro kiekis per laiko vienetą. Taigi, jei laiku t degė masinis kuras m ir savitoji degimo šiluma q, tada
Transporto priemonių etaloninė charakteristika dažnai yra tūris V pakeliui degė kuras s esant mechaninei variklio galiai N ir greičiu. Šiuo atveju, atsižvelgiant į kuro tankį r, galime parašyti efektyvumo skaičiavimo formulę:
Antrasis termodinamikos dėsnis
Yra keletas formulių antrasis termodinamikos dėsnis. Vienas iš jų sako, kad neįmanomas šilumos variklis, kuris veiktų tik dėl šilumos šaltinio, t.y. be šaldytuvo. Pasaulio vandenynas jam galėtų pasitarnauti kaip praktiškai neišsenkantis vidinės energijos šaltinis (Wilhelm Friedrich Ostwald, 1901).
Kitos antrojo termodinamikos dėsnio formuluotės yra lygiavertės šiam.
Klausijaus formuluotė(1850): neįmanomas procesas, kurio metu šiluma spontaniškai pereitų iš mažiau įkaitintų kūnų į labiau įkaitintus kūnus.
Tomsono formuluotė(1851): neįmanomas žiedinis procesas, kurio vienintelis rezultatas būtų darbo gamyba sumažinant vidinę šiluminio rezervuaro energiją.
Klausijaus formuluotė(1865): visi spontaniški procesai uždaroje nepusiausvyros sistemoje vyksta tokia kryptimi, kuria didėja sistemos entropija; šiluminės pusiausvyros būsenoje ji yra didžiausia ir pastovi.
Boltzmanno formuluotė(1877): uždara daugelio dalelių sistema spontaniškai pereina iš labiau tvarkingos būsenos į mažiau tvarkingą. Savaiminis sistemos išėjimas iš pusiausvyros padėties yra neįmanomas. Boltzmannas įvedė kiekybinį sutrikimo matą sistemoje, kurią sudaro daugybė kūnų. entropija.
Šilumos variklio su idealiomis dujomis kaip darbiniu skysčiu efektyvumas
Jei pateikiamas šiluminio variklio darbinio skysčio modelis (pavyzdžiui, idealios dujos), tada galima apskaičiuoti darbinio skysčio termodinaminių parametrų kitimą plėtimosi ir susitraukimo metu. Tai leidžia apskaičiuoti šilumos variklio efektyvumą remiantis termodinamikos dėsniais.
Paveikslėlyje pavaizduoti ciklai, kurių efektyvumą galima apskaičiuoti, jei darbinis skystis yra idealios dujos, o parametrai nustatyti vieno termodinaminio proceso perėjimo prie kito taškuose.
|
|
Izobarinis-izochorinis |
|
Izochorinis-adiabatinis |
|
Izobarinis-adiabatinis |
|
Izobarinis-izochorinis-izoterminis |
|
|
Izobarinis-izochorinis-tiesinis |
Carnot ciklas. Idealaus šilumos variklio efektyvumas
Didžiausias efektyvumas esant tam tikroms šildytuvo temperatūroms Tšildymas ir šaldytuvas Tšaltis turi šilumos variklį, kuriame darbinis skystis plečiasi ir susitraukia kartu Carnot ciklas(2 pav.), kurios grafikas susideda iš dviejų izotermų (2–3 ir 4–1) ir dviejų adiabatų (3–4 ir 1–2).
Carnot teoremaįrodo, kad tokio variklio naudingumo koeficientas nepriklauso nuo naudojamo darbinio skysčio, todėl jį galima apskaičiuoti naudojant termodinamines idealių dujų santykį:
Šilumos variklių pasekmės aplinkai
Intensyvus šiluminių variklių naudojimas transporte ir energetikoje (šilumos ir atominėse elektrinėse) daro didelę įtaką Žemės biosferai. Nors vyksta moksliniai ginčai dėl žmogaus veiklos įtakos Žemės klimatui mechanizmų, daugelis mokslininkų nurodo veiksnius, dėl kurių tokia įtaka gali atsirasti:
- Šiltnamio efektas – tai anglies dioksido (degimo produkto šiluminių mašinų šildytuvuose) koncentracijos padidėjimas atmosferoje. Anglies dioksidas perduoda matomą ir ultravioletinę Saulės spinduliuotę, tačiau sugeria infraraudonąją spinduliuotę iš Žemės. Dėl to pakyla žemesnių atmosferos sluoksnių temperatūra, didėja uraganiniai vėjai ir tirpsta pasaulinis ledas.
- Tiesioginis toksiškų išmetamųjų dujų poveikis laukinei gamtai (kancerogenai, smogas, rūgštūs lietūs iš degimo šalutinių produktų).
- Ozono sluoksnio sunaikinimas orlaivių skrydžių ir raketų paleidimo metu. Viršutinių atmosferos sluoksnių ozonas apsaugo visą gyvybę Žemėje nuo perteklinės saulės ultravioletinės spinduliuotės.
Išeitis iš kylančios ekologinės krizės – šilumos variklių efektyvumo didinimas (šiuolaikinių šiluminių variklių naudingumo koeficientas retai viršija 30 proc.); naudoti tinkamus variklius ir kenksmingų išmetamųjų dujų neutralizatorius; alternatyvių energijos šaltinių (saulės baterijų ir šildytuvų) ir alternatyvių transporto priemonių (dviračių ir kt.) naudojimas.
>>Fizika: Šilumos variklių veikimo principas. Šilumos variklių našumo koeficientas (COP).
Vidinės energijos atsargos Žemės pluta o vandenynai gali būti laikomi praktiškai neribotais. Tačiau norint išspręsti praktines problemas, energijos atsargų vis dar nepakanka. Taip pat reikia mokėti naudoti energiją paleisti gamyklose ir gamyklose esančias stakles, transporto priemones, traktorius ir kitas mašinas, sukti generatorių rotorius. elektros srovė tt Žmonijai reikia variklių – įrenginių, galinčių atlikti darbą. Dauguma varikliai žemėje šiluminiai varikliai. Šilumos varikliai yra įrenginiai, paverčiantys vidinę kuro energiją į mechaninę energiją.
Šilumos variklių veikimo principai. Kad variklis veiktų, reikia slėgio skirtumo abiejose variklio stūmoklio arba turbinos menčių pusėse. Visuose šiluminiuose varikliuose šis slėgio skirtumas pasiekiamas padidinus darbinio skysčio (dujų) temperatūrą šimtais ar tūkstančiais laipsnių, palyginti su aplinkos temperatūra. Šis temperatūros padidėjimas atsiranda kuro degimo metu.
Viena iš pagrindinių variklio dalių yra dujomis užpildytas indas su judančiu stūmokliu. Visų šiluminių variklių darbinis skystis yra dujos, kurios veikia plėtimosi metu. Pažymime pradinę pratekančio darbinio skysčio (dujų) temperatūrą T1.Šią temperatūrą garo turbinose ar mašinose įgyja garai garo katile. Vidaus degimo varikliuose ir dujų turbinose temperatūra pakyla, kai kuras deginamas pačiame variklyje. Temperatūra T1šildytuvo temperatūra“.
Šaldytuvo vaidmuo Darbo metu dujos netenka energijos ir neišvengiamai atšąla iki tam tikros temperatūros. T2, kuri paprastai yra šiek tiek aukštesnė už aplinkos temperatūrą. Jie jai skambina šaldytuvo temperatūra. Šaldytuvas yra atmosfera arba specialūs įrenginiai, skirti vėsinti ir kondensuoti išmetamuosius garus - kondensatoriai. Pastaruoju atveju šaldytuvo temperatūra gali būti šiek tiek žemesnė už atmosferos temperatūrą.
Taigi variklyje darbinis skystis plėtimosi metu negali atiduoti visos savo vidinės energijos darbui atlikti. Dalis šilumos neišvengiamai perduodama į aušintuvą (atmosferą) kartu su išmetamųjų dujų garais arba išmetamosiomis dujomis iš vidaus degimo variklių ir dujų turbinų. Ši vidinės energijos dalis prarandama.
Šilumos variklis atlieka darbą dėl darbinio skysčio vidinės energijos. Be to, šiame procese šiluma perduodama iš karštesnių kūnų (šildytuvo) į šaltesnius (šaldytuvą).
grandinės schemašiluminis variklis parodytas 13.11 pav.
Darbinis variklio korpusas iš šildytuvo gauna kuro degimo metu šilumos kiekį Q1 atlieka darbą A ir perduoda šilumos kiekį į šaldytuvą Q2 .
Šilumos variklio našumo koeficientas (COP)..Dujų vidinės energijos visiško pavertimo šiluminių variklių darbu negalimumą lemia gamtoje vykstančių procesų negrįžtamumas. Jei šiluma galėtų savaime grįžti iš šaldytuvo į šildytuvą, tai vidinė energija gali būti visiškai paversta naudingu darbu naudojant bet kurį šilumos variklį.
Pagal energijos tvermės dėsnį variklio darbas yra toks:
kur Q1 yra šilumos kiekis, gautas iš šildytuvo, ir Q2- šaldytuvui atiduodamas šilumos kiekis.
Šilumos variklio našumo koeficientas (COP). vadinamas darbo santykiu A´ variklio atlieka iš šildytuvo gautam šilumos kiekiui:
Kadangi visuose varikliuose tam tikras šilumos kiekis perduodamas į šaldytuvą, tada η<1.
Šilumos variklio efektyvumas yra proporcingas temperatūrų skirtumui tarp šildytuvo ir aušintuvo. At T1-T2=0 variklis negali veikti.
Didžiausia šilumos variklių naudingumo vertė. Termodinamikos dėsniai leidžia apskaičiuoti didžiausią galimą šilumos variklio, veikiančio su šildytuvu, kurio temperatūra T1, ir šaldytuvas su temperatūra T2. Pirmą kartą tai padarė prancūzų inžinierius ir mokslininkas Sadi Carnot (1796–1832) savo darbe „Apmąstymai apie ugnies varomąją jėgą ir mašinas, galinčias išvystyti šią jėgą“ (1824).
Carnot sugalvojo idealų šiluminį variklį su idealiomis dujomis kaip darbiniu skysčiu. Idealus Carnot šilumos variklis veikia pagal ciklą, susidedantį iš dviejų izotermų ir dviejų adiabatų. Pirma, indas su dujomis susiliečia su šildytuvu, dujos plečiasi izotermiškai, atlikdamos teigiamą darbą, esant temperatūrai T1, kol jis gauna šilumos kiekį Q1.
Tada indas yra termiškai izoliuojamas, dujos toliau plečiasi jau adiabatiškai, o jų temperatūra nukrenta iki šaldytuvo temperatūros T2. Po to dujos liečiamos su šaldytuvu, esant izoterminiam suspaudimui, suteikia šaldytuvui šilumos kiekį Q2, susitraukia iki tūrio V 4
Carnot gavo tokią šios mašinos efektyvumo išraišką:
Kaip ir tikėtasi, Carnot mašinos efektyvumas yra tiesiogiai proporcingas skirtumui tarp absoliučios šildytuvo ir aušintuvo temperatūrų.
Pagrindinė šios formulės reikšmė yra ta, kad bet koks tikras šilumos variklis veikia su šildytuvu, turinčiu temperatūrą T1, ir šaldytuvas su temperatūra T2, negali turėti efektyvumo, viršijančio idealaus šiluminio variklio efektyvumą.
Formulė (13.19) pateikia teorinę šilumos variklių naudingumo koeficiento didžiausios vertės ribą. Tai rodo, kad šilumos variklis yra efektyvesnis, tuo aukštesnė šildytuvo ir žemesnė šaldytuvo temperatūra. Tik tada, kai šaldytuvo temperatūra lygi absoliučiam nuliui, η
=1.
Tačiau šaldytuvo temperatūra praktiškai negali būti žemesnė už aplinkos temperatūrą. Galite padidinti šildytuvo temperatūrą. Tačiau bet kuri medžiaga (kieta) turi ribotą atsparumą karščiui arba atsparumą karščiui. Kaitinamas jis palaipsniui praranda savo elastines savybes, tirpsta pakankamai aukštoje temperatūroje.
Dabar pagrindinės inžinierių pastangos nukreiptos į variklių efektyvumo didinimą, mažinant jų dalių trintį, degalų nuostolius dėl nepilno jo degimo ir kt. Realios galimybės padidinti efektyvumą čia vis dar didelės. Taigi, garo turbinos pradinė ir galutinė garo temperatūra yra maždaug tokia: T1≈800 K ir T2≈300 K. Esant tokioms temperatūroms, didžiausia naudingumo vertė yra:
Šilumos variklių efektyvumo didinimas ir priartinimas prie didžiausio galimo – svarbiausias techninis iššūkis.
Šilumos varikliai veikia dėl dujų slėgio skirtumo ant stūmoklių ar turbinų menčių paviršių. Šis slėgio skirtumas susidaro dėl temperatūros skirtumo. Maksimalus galimas efektyvumas yra proporcingas šiam temperatūrų skirtumui ir atvirkščiai proporcingas absoliučiai šildytuvo temperatūrai.
Šilumos variklis negali veikti be šaldytuvo, kurio vaidmenį dažniausiai atlieka atmosfera.
???
1. Koks prietaisas vadinamas šiluminiu varikliu?
2. Koks yra šildytuvo, aušintuvo ir darbinio skysčio vaidmuo šilumos variklyje?
3. Kas vadinamas variklio efektyvumu?
4. Kokia didžiausia šilumos variklio naudingumo koeficiento reikšmė?
G.Ya.Myakishev, B.B.Bukhovtsev, N.N.Sotsky, fizika 10 klasė
Pamokos turinys pamokos santrauka paramos rėmo pamokos pristatymo pagreitinimo metodai interaktyvios technologijos Praktika užduotys ir pratybos savikontrolės seminarai, mokymai, atvejai, užduotys namų darbai diskusija klausimai retoriniai mokinių klausimai Iliustracijos garso, vaizdo klipai ir daugialypės terpės nuotraukos, paveikslėliai grafika, lentelės, schemos humoras, anekdotai, anekdotai, komiksai, palyginimai, posakiai, kryžiažodžiai, citatos Priedai tezės straipsniai lustai smalsiems cheat sheets vadovėliai pagrindinis ir papildomas terminų žodynas kita Vadovėlių ir pamokų tobulinimasklaidų taisymas vadovėlyje pamokoje naujovių elementų atnaujinimas vadovėlyje pasenusių žinių pakeitimas naujomis Tik mokytojams tobulos pamokos kalendorinis planas metams diskusijų programos metodinės rekomendacijos Integruotos pamokosJei turite šios pamokos pataisymų ar pasiūlymų,
