Termični stroj: cikel, delovanje, učinkovitost. Okoljski problemi termalnih strojev. Kakšen je idealen termični stroj?

Potreba po uporabi mehanična energija

Naprava termičnih strojev

Termični stroj (termični motor) je naprava za pretvarjanje notranje energije v mehansko energijo.

Vsak termalni stroj ima grelec, delovno telo (plin ali paro), ki kot posledica ogrevanja opravlja delo (vrti turbino gred, premika bat in tako naprej) in hladilnik. Spodnja slika prikazuje shemo toplotnega motorja.

Osnove delovanja toplotnih motorjev

Vsak termalni stroj upravlja motor. Če želite opraviti delo, mora imeti razlike v tlaku na obeh straneh motorja bat ali turbinskih lopatic. Ta razlika je dosežena pri vseh termičnih motorjih, kot sledi: temperatura delovne tekočine se poveča za sto ali tisoč stopinj v primerjavi s temperaturo okolja. V Ljubljani plinske turbine in v motorjih z notranjim izgorevanjem (ICE) se temperatura dvigne zaradi dejstva, da gorivo gori znotraj motorja samega. Hladilnik je lahko ozračje ali naprava za posebne namene za kondenzacijo in hlajenje uporabljene pare.

Carnotov cikel

Cikel (krožni proces) je niz sprememb stanja plina, zaradi česar se vrne v prvotno stanje (lahko deluje). Leta 1824 je francoski fizik Sadi Carnot pokazal, da je koristno, da ciklično krožijo cikel Carnot, ki ga sestavljata dva procesa - izotermična in adiabatična. Spodnja slika prikazuje graf cikla Carnot: 1-2 in 3-4 - izoterm, 2-3 in 4-1 - adiabats.

V skladu z zakonom o ohranjanju energije je delo toplotnih strojev, ki ga izvaja motor:

A = Q₁- Q₂,

kjer je Q₁ - količina toplote, ki jo dobimo od grelnika, in Q₂ - količina toplote, ki je dana hladilniku.
Učinkovitost toplotnega motorja je razmerje med delom A, ki ga opravlja motor, in količino toplote, ki jo dobi od grelnika:

eta- = A / Q = (Q₁- Q₂) / Q₁ = 1 - Q₂/ Q₁.

V "Misli na pogonsko silo ognja in na strojih, ki so sposobni razvijati te sile« (1824) je opisal toplotno motor Carnotovega pod imenom "idealnega toplotnega stroja z idealnega plina, ki je delovno telo." Zaradi zakonitosti termodinamike je mogoče izračunati učinkovitost (najvišjo možno) toplotnega motorja z grelcem, ki ima temperaturo T₁, in hladilnik s temperaturo T₂. Termični stroj Carnot je učinkovit:

eta-_max = (T₁ - T₂) / T₁ = 1 - T₂/ T_1.

Sadi Carnot je dokazal, da je kateri koli termični stroj pravi, ki deluje z grelcem s temperaturo T₁ in hladilnik s temperaturo T₂ ne more imeti učinkovitosti, ki bi presegla učinkovitost termičnega stroja (idealno).

Motor z notranjim zgorevanjem (ICE)

Štiri-taktni ICE je sestavljen iz enega ali več valjev, bata, ročičnega mehanizma, sesalnega in izpušnega ventila ter sveče.

Delovni cikel je sestavljen iz štirih ciklov:

1) sesanje - gorljiva mešanica vstopi skozi ventil v valjastem valju,
2) stiskanje - oba ventila sta zaprta,
3) delovna kap - eksplozivno zgorevanje vnetljive mešanice -
4) izpuh izpušnih plinov v ozračje.

Parne turbine

V parni turbini pride do pretvorbe energije zaradi razlike v tlaku vodnih hlapov na vstopu in izstopu.
Zmogljivosti sodobnih parnih turbin dosegajo 1300 MW.

Nekateri tehnični parametri parne turbine 1200 MW

• Parni tlak (svež) je 23,5 MPa.
• Temperatura pare je 540 ° C.
• Pretok parne turbine je 3600 t / h.
• Hitrost rotorja je 3000 obr./min.
• Parni tlak v kondenzatorju je 3,6 kPa.
• Dolžina turbine je 47,9 m.
• Masa turbine znaša 1900 ton.

Toplotni motor je sestavljen iz zračnega kompresorja, zgorevalne komore in plinska turbina. Načelo delovanja: zrak se adiabatno vpije v kompresor, zato se njegova temperatura dvigne na 200 ° C ali več. Naslednjič stisnjen zrak pade v zgorevalno komoro, kjer istočasno pod velikim pritiskom vstopi tekoče gorivo - kerozin, fotogen, kurilno olje. Ko gorijo gorivo, se zrak segreje na temperaturo 1500-2000 ° C, se širi in njegova hitrost se poveča. Zrak se premika z veliko hitrostjo, produkti izgorevanja pa se pošljejo v turbino. Po prehodu od odra do odra, produkti zgorevanja dajejo svojim turbinskim rezilom svojo kinetično energijo. Del energije, ki jo prejme turbina, gre za vrtenje kompresorja - ostalo se porabi za vrtenje rotorja električnega generatorja, propelerja letala ali morske ladje in koles avtomobila.

Turbina plin, ki se lahko uporablja, poleg vrtenja ravnine in kolesi vozil in propelerjev na ladji, kot reaktivni motor. Zrak in dimni plini se izvrže pri visoki hitrosti iz plinske turbine, tako da curek potisk, ki se pojavi v tem procesu, se lahko uporablja za premikanje letala (letal) in vodo (ladjo) ladje, železniškega prometa. Na primer, turbopropelerski motorji imajo An-24, An-124 (Ruslan), An-225 (sanje). Tako je sanje s hitrostjo 700-850 km / h prevozilo 250 ton tovora na razdalji skoraj 15.000 km. To je največji transportni zrakoplov na svetu.

Okoljski problemi termalnih strojev

Velik vpliv na podnebje je stanje ozračja, zlasti prisotnost ogljikovega dioksida in vodnih hlapov. Tako je sprememba v vsebnosti ogljikovega dioksida vodi do povečanja ali zmanjšanja učinka tople grede, pri čemer ogljikov dioksid absorbira del toplote, ki izžareva v ozemljitveni prostor, zamude pri povečanjem atmosferi in tako površinske temperature in spodnji atmosferi. Pojav učinka tople grede ima odločilno vlogo pri blažitvi podnebnih sprememb. V njegovi odsotnosti povprečna temperatura planeta ne bi bila + 15 ° C, temveč nižja za 30-40 ° C

Sedaj je na svetu več kot 300 milijonov različnih vrst avtomobilov, kar ustvarja več kot polovico vseh onesnaževanja ozračja.

Več kot 1 leto v ozračje iz toplotno močjo od zgorevanja goriva se razporedi 150 milijonov ton žveplovih oksidov, 50 milijonov ton dušikovih oksidov, 50 milijonov ton pepela, 200 milijonov ton ogljikovega monoksida, 3 milijone ton Feona.

Sestava ozračja vključuje ozon, ki ščiti vse življenje na zemlji pred škodljivimi učinki ultravijoličnih žarkov. Leta 1982 je J. Farman, angleški raziskovalec, odkril ozonsko luknjo nad Antarktiko - začasno zmanjšanje ozona v ozračju. V času največjega razvoja ozonske luknje 7. oktobra 1987 se je obseg ozona v njem zmanjšal za 2-krat. Ozonska luknja je verjetno nastala zaradi antropogenih dejavnikov, vključno z uporabo kloronov, ki vsebujejo klonove (freons) v industriji, ki uničujejo ozonski plašč. Vendar pa študije iz devetdesetih let. tega stališča ni potrdil. Najverjetneje, pojav ozonske luknje ni povezan z človeško dejavnostjo in je naravni proces. Leta 1992 in preko Arktike je bila odprta ozonska luknja.

Če se ves atmosferski ozon zbira v sloju blizu površine Zemlje in se z gostoto zraka obdrži pri normalnem atmosferskem tlaku in 0 ° C, bo debelina ozonskega ščita le 2-3 mm! To je celoten ščit.

Malo zgodovine ...

• Julij 1769. V Pariz Meudon parku vojaški inženir NZ Kyunyo v "ogenj vagon", ki je bil opremljen s parnim motorjem dva valja, odpeljal nekaj deset metrov.
• 1885 leto. Karl Benz, nemški inženir, je zgradil prvi bencinski štirikolesni trikolesni motorni pogon Motorwagen z močjo 0,66 kW, ki je 29. januarja 1886 dobil patent. Hitrost avtomobila je dosegla 15-18 km / h.
• 1891 leto. Gottlieb Daimler, nemški izumitelj, je iz avtomobila proizvedel tovorni voziček z močjo 2,9 kW (4 konjske moči). Največja hitrost Avto je dosegel 10 km / h, nosilnost v različnih modelih je znašala od 2 do 5 ton.
• 1899 leto. Belgijski K. Zhenatzi je v svojem avtomobilu "Jame Contant" ("Vedno nezadovoljen") prvič premagal omejitev hitrosti 100 kilometrov.

Primeri reševanja problemov

Naloga 1. Temperatura grelnika je idealen toplotni stroj, enak 2000 K, temperatura hladilnika pa je 100 ° C. Določite učinkovitost.

Rešitev:
Formula, ki določa učinkovitost termičnega stroja (največja):

ŋ = T₁-T₂/ T_1.
ŋ = (2000K-373K) / 2000 K = 0,81.

Odgovor: Učinkovitost motorja je 81%.

Naloga 2.V toplotnem motorju je bilo od zgorevanja goriva prejeto 200 kJ toplote, 120 kJ toplote pa smo prenesli v hladilnik. Kakšna je učinkovitost motorja?

Rešitev:
Formula za določanje učinkovitosti je naslednja:

ŋ = Q1 - Q2 / Q1.
ŋ = (2middot-10⁵ J-1,2middot-10⁵ J) / 2middot-10⁵ J = 0,4.

Odgovor: Učinkovitost termičnega motorja je 40%.

Naloga 3. Kakšna je učinkovitost toplotnega motorja, če je delovni medij po toplotni količini 1,6 MJ od grelnika opravil 400 kJ? Koliko toplote smo prenesli v hladilnik?

Rešitev:
Učinkovitost lahko določimo s formulo

¿= A / Q_1.

ŋ = 0,4middot-10⁶ J / 1,6middot-10⁶ J = 0,25.

Količina toplote, prenesene v hladilnik, se lahko določi iz formule

Q₁ - A = Q_2.
Q₂ = 1.6middot-10⁶ J = 0,4middot-10⁶ J = 1,2middot-10⁶ J.
Odgovor: toplotna naprava ima učinkovitost 25% - količina toplote prenese v hladilnik - 1,2middot-10⁶ J.