Η λειτουργία πολλών τύπων μηχανών χαρακτηρίζεται από έναν τόσο σημαντικό δείκτη όπως η απόδοση μιας θερμικής μηχανής. Κάθε χρόνο, οι μηχανικοί προσπαθούν να δημιουργήσουν πιο προηγμένο εξοπλισμό που, με χαμηλότερο κόστος καυσίμου, θα έδινε το μέγιστο αποτέλεσμα από τη χρήση του.
Συσκευή θερμικής μηχανής
Πριν καταλάβετε τι είναι η αποδοτικότητα, είναι απαραίτητο να κατανοήσετε πώς λειτουργεί αυτός ο μηχανισμός. Χωρίς να γνωρίζουμε τις αρχές της δράσης του, είναι αδύνατο να ανακαλύψουμε την ουσία αυτού του δείκτη. Μια θερμική μηχανή είναι μια συσκευή που λειτουργεί χρησιμοποιώντας εσωτερική ενέργεια. Κάθε θερμική μηχανή που μετατρέπει τη θερμική ενέργεια σε μηχανική χρησιμοποιεί τη θερμική διαστολή ουσιών με την αύξηση της θερμοκρασίας. Σε κινητήρες στερεάς κατάστασης, είναι δυνατό όχι μόνο να αλλάξει ο όγκος της ύλης, αλλά και το σχήμα του αμαξώματος. Η λειτουργία ενός τέτοιου κινητήρα υπόκειται στους νόμους της θερμοδυναμικής.
Αρχή λειτουργίας
Για να κατανοήσετε πώς λειτουργεί ένας θερμικός κινητήρας, είναι απαραίτητο να εξετάσετε τα βασικάτα σχέδιά του. Για τη λειτουργία της συσκευής χρειάζονται δύο σώματα: ζεστό (καλοριφέρ) και κρύο (ψυγείο, ψυγείο). Η αρχή λειτουργίας των θερμικών μηχανών (η απόδοση των θερμικών μηχανών) εξαρτάται από τον τύπο τους. Συχνά, ο συμπυκνωτής ατμού λειτουργεί ως ψυγείο και κάθε τύπος καυσίμου που καίγεται στον κλίβανο λειτουργεί ως θερμαντήρας. Η απόδοση μιας ιδανικής θερμικής μηχανής βρίσκεται από τον ακόλουθο τύπο:
Efficiency=(Theating - Cooling)/ Theating. x 100%.
Ταυτόχρονα, η απόδοση ενός πραγματικού κινητήρα δεν μπορεί ποτέ να υπερβεί την τιμή που προκύπτει σύμφωνα με αυτόν τον τύπο. Επίσης, αυτός ο δείκτης δεν θα υπερβαίνει ποτέ την παραπάνω τιμή. Για να αυξήσετε την απόδοση, τις περισσότερες φορές αυξάνετε τη θερμοκρασία του θερμαντήρα και μειώνετε τη θερμοκρασία του ψυγείου. Και οι δύο αυτές διαδικασίες θα περιοριστούν από τις πραγματικές συνθήκες λειτουργίας του εξοπλισμού.
Απόδοση θερμικού κινητήρα (τύπος)
Κατά τη λειτουργία μιας θερμικής μηχανής, γίνονται εργασίες, καθώς το αέριο αρχίζει να χάνει ενέργεια και ψύχεται σε μια συγκεκριμένη θερμοκρασία. Το τελευταίο είναι συνήθως μερικές μοίρες πάνω από την περιβάλλουσα ατμόσφαιρα. Αυτή είναι η θερμοκρασία του ψυγείου. Μια τέτοια ειδική συσκευή έχει σχεδιαστεί για ψύξη με επακόλουθη συμπύκνωση του ατμού εξαγωγής. Όπου υπάρχουν συμπυκνωτές, η θερμοκρασία του ψυγείου είναι μερικές φορές χαμηλότερη από τη θερμοκρασία περιβάλλοντος.
Σε μια θερμική μηχανή, το σώμα, όταν θερμαίνεται και διαστέλλεται, δεν είναι σε θέση να δώσει όλη την εσωτερική του ενέργεια για να κάνει εργασία. Μέρος της θερμότητας θα μεταφερθεί στο ψυγείο μαζί με τα καυσαέρια ή τον ατμό. Αυτό το μέροςΗ θερμική εσωτερική ενέργεια χάνεται αναπόφευκτα. Κατά την καύση του καυσίμου, το σώμα εργασίας λαμβάνει μια ορισμένη ποσότητα θερμότητας Q1 από τη θερμάστρα. Ταυτόχρονα, εξακολουθεί να λειτουργεί Α, κατά την οποία μεταφέρει μέρος της θερμικής ενέργειας στο ψυγείο: Q2<Q1.
Το EFFICIENCY χαρακτηρίζει την απόδοση του κινητήρα στον τομέα της μετατροπής και της μετάδοσης ενέργειας. Αυτός ο δείκτης συχνά μετριέται ως ποσοστό. Τύπος αποτελεσματικότητας:
ηA/Qx100%, όπου Q είναι η καταναλωμένη ενέργεια, Α είναι η χρήσιμη εργασία.
Με βάση το νόμο της διατήρησης της ενέργειας, μπορούμε να συμπεράνουμε ότι η απόδοση θα είναι πάντα μικρότερη από μία. Με άλλα λόγια, δεν θα υπάρξει ποτέ πιο χρήσιμη εργασία από την ενέργεια που δαπανάται για αυτήν.
Απόδοση κινητήρα είναι η αναλογία χρήσιμης εργασίας προς την ενέργεια που παρέχεται από το θερμαντήρα. Μπορεί να αναπαρασταθεί ως ο ακόλουθος τύπος:
η=(Q1-Q2)/ Q1, όπου Q 1 - θερμότητα που λαμβάνεται από τη θερμάστρα και Q2 - δίνεται στο ψυγείο.
Λειτουργία θερμικού κινητήρα
Η εργασία που εκτελείται από μια θερμική μηχανή υπολογίζεται χρησιμοποιώντας τον ακόλουθο τύπο:
A=|QH| - |QX|, όπου το A είναι εργασία, QH είναι η ποσότητα θερμότητας που λαμβάνεται από τη θερμάστρα, QX - η ποσότητα θερμότητας που δίνεται στο ψυγείο.
Απόδοση θερμικού κινητήρα (τύπος):
|QH| - |QX|)/|QH|=1 - |QX|/|QH|
Είναι ίσο με την αναλογία της εργασίας που κάνει ο κινητήρας προς την ποσότηταζεστασιά. Μέρος της θερμικής ενέργειας χάνεται κατά τη διάρκεια αυτής της μεταφοράς.
Μηχανή Carnot
Η μέγιστη απόδοση μιας θερμικής μηχανής σημειώνεται στη συσκευή Carnot. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι σε αυτό το σύστημα εξαρτάται μόνο από την απόλυτη θερμοκρασία του θερμαντήρα (Тн) και του ψυγείου (Тх). Η απόδοση μιας θερμικής μηχανής που λειτουργεί σύμφωνα με τον κύκλο Carnot καθορίζεται από τον ακόλουθο τύπο:
(Тн - Тх)/ Тн=- Тх - Тн.
Οι νόμοι της θερμοδυναμικής μας επέτρεψαν να υπολογίσουμε τη μέγιστη δυνατή απόδοση. Για πρώτη φορά αυτός ο δείκτης υπολογίστηκε από τον Γάλλο επιστήμονα και μηχανικό Sadi Carnot. Εφηύρε μια θερμική μηχανή που λειτουργούσε με ιδανικό αέριο. Λειτουργεί σε έναν κύκλο 2 ισόθερμων και 2 αδιαβάτων. Η αρχή της λειτουργίας του είναι αρκετά απλή: μια επαφή θερμαντήρα φέρεται στο δοχείο με αέριο, ως αποτέλεσμα της οποίας το ρευστό εργασίας διαστέλλεται ισοθερμικά. Ταυτόχρονα λειτουργεί και δέχεται μια ορισμένη ποσότητα θερμότητας. Αφού το δοχείο είναι θερμομονωμένο. Παρόλα αυτά, το αέριο συνεχίζει να διαστέλλεται, αλλά ήδη αδιαβατικά (χωρίς ανταλλαγή θερμότητας με το περιβάλλον). Αυτή τη στιγμή, η θερμοκρασία του πέφτει στο ψυγείο. Αυτή τη στιγμή, το αέριο βρίσκεται σε επαφή με το ψυγείο, με αποτέλεσμα να του δίνει μια συγκεκριμένη ποσότητα θερμότητας κατά την ισομετρική συμπίεση. Στη συνέχεια το δοχείο θερμομονώνεται ξανά. Σε αυτή την περίπτωση, το αέριο συμπιέζεται αδιαβατικά στον αρχικό του όγκο και κατάσταση.
Ποικιλίες
Στην εποχή μας, υπάρχουν πολλοί τύποι θερμικών μηχανών που λειτουργούν με διαφορετικές αρχές και με διαφορετικά καύσιμα. Όλα έχουν τη δική τους αποτελεσματικότητα. Αυτά περιλαμβάνουντα ακόλουθα:
• Μηχανή εσωτερικής καύσης (έμβολο), που είναι ένας μηχανισμός όπου μέρος της χημικής ενέργειας του καυσίμου που καίγεται μετατρέπεται σε μηχανική ενέργεια. Τέτοιες συσκευές μπορεί να είναι αέριο και υγρό. Υπάρχουν δίχρονοι και 4χρονοι κινητήρες. Μπορεί να έχουν συνεχή κύκλο λειτουργίας. Σύμφωνα με τη μέθοδο παρασκευής ενός μείγματος καυσίμου, τέτοιοι κινητήρες είναι καρμπυρατέρ (με εξωτερικό σχηματισμό μίγματος) και ντίζελ (με εσωτερικό). Ανάλογα με τους τύπους μετατροπέων ενέργειας, χωρίζονται σε έμβολο, πίδακα, τουρμπίνα, συνδυασμένα. Η απόδοση τέτοιων μηχανών δεν υπερβαίνει το 0,5.
• Μηχανή Stirling - μια συσκευή στην οποία το υγρό εργασίας βρίσκεται σε κλειστό χώρο. Είναι ένα είδος κινητήρα εξωτερικής καύσης. Η αρχή της λειτουργίας του βασίζεται στην περιοδική ψύξη/θέρμανση του σώματος με την παραγωγή ενέργειας λόγω αλλαγής του όγκου του. Είναι ένας από τους πιο αποδοτικούς κινητήρες.
• Στροβιλοκινητήρας (περιστροφικός) με εξωτερική καύση καυσίμου. Τέτοιες εγκαταστάσεις συναντώνται συχνότερα σε θερμοηλεκτρικούς σταθμούς.
• Το στρόβιλο (περιστροφικό) ICE χρησιμοποιείται σε θερμοηλεκτρικούς σταθμούς σε λειτουργία αιχμής. Όχι τόσο συνηθισμένο όσο άλλοι.
• Ένας κινητήρας στροβιλοκινητήρα παράγει μέρος της ώθησης λόγω της προπέλας. Τα υπόλοιπα προέρχονται από καυσαέρια. Ο σχεδιασμός του είναι ένας περιστροφικός κινητήρας (αεριοστρόβιλος), στον άξονα του οποίου είναι τοποθετημένη μια έλικα.
Άλλοι τύποι θερμικών μηχανών
• Πύραυλοι, turbojet και κινητήρες αεριωθουμένων που ωθούνται από την ανάκρουσηκαυσαέρια.
• Οι κινητήρες στερεάς κατάστασης χρησιμοποιούν στερεά ως καύσιμο. Όταν εργάζεστε, δεν αλλάζει ο όγκος του, αλλά το σχήμα του. Η λειτουργία του εξοπλισμού χρησιμοποιεί εξαιρετικά χαμηλή διαφορά θερμοκρασίας.
Πώς να βελτιώσετε την αποτελεσματικότητα
Είναι δυνατόν να αυξηθεί η απόδοση μιας θερμικής μηχανής; Η απάντηση πρέπει να αναζητηθεί στη θερμοδυναμική. Μελετά τους αμοιβαίους μετασχηματισμούς διαφορετικών τύπων ενέργειας. Έχει διαπιστωθεί ότι είναι αδύνατη η μετατροπή όλης της διαθέσιμης θερμικής ενέργειας σε ηλεκτρική, μηχανική κ.λπ. Ταυτόχρονα, η μετατροπή τους σε θερμική ενέργεια γίνεται χωρίς κανέναν περιορισμό. Αυτό είναι δυνατό λόγω του γεγονότος ότι η φύση της θερμικής ενέργειας βασίζεται στην άτακτη (χαοτική) κίνηση των σωματιδίων.
Όσο περισσότερο θερμαίνεται το σώμα, τόσο πιο γρήγορα θα κινούνται τα μόρια που το αποτελούν. Η κίνηση των σωματιδίων θα γίνει ακόμη πιο ασταθής. Μαζί με αυτό, όλοι γνωρίζουν ότι η τάξη μπορεί εύκολα να μετατραπεί σε χάος, το οποίο είναι πολύ δύσκολο να παραγγείλεις.
