Θερμικός κινητήρας: κύκλος, εργασία, απόδοση. Οικολογικά προβλήματα θερμικών μηχανών. Ποια είναι η ιδανική θερμική μηχανή;

2024 Συγγραφέας: Angel Austin | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2023-12-17 05:22

Η ανάγκη χρήσης μηχανικής ενέργειας στην παραγωγή οδήγησε στην εμφάνιση των θερμικών μηχανών.

Σχεδίαση θερμικών μηχανών

Θερμική μηχανή (θερμική μηχανή) - μια συσκευή για τη μετατροπή της εσωτερικής ενέργειας σε μηχανική ενέργεια.

Οποιοσδήποτε θερμικός κινητήρας διαθέτει θερμαντήρα, ένα λειτουργικό ρευστό (αέριο ή ατμό), το οποίο, ως αποτέλεσμα της θέρμανσης, εκτελεί εργασίες (γυρίζει τον άξονα του στροβίλου, κινεί το έμβολο κ.λπ.) και ένα ψυγείο. Το παρακάτω σχήμα δείχνει ένα διάγραμμα θερμικής μηχανής.

Βασικές αρχές των θερμικών μηχανών

Κάθε θερμικός κινητήρας λειτουργεί χάρη στον κινητήρα. Για να κάνει τη δουλειά, πρέπει να έχει διαφορά πίεσης και στις δύο πλευρές του εμβόλου του κινητήρα ή των πτερυγίων του στροβίλου. Αυτή η διαφορά επιτυγχάνεται σε όλες τις θερμικές μηχανές ως εξής: η θερμοκρασία του ρευστού εργασίας αυξάνεται κατά εκατοντάδες ή χιλιάδες βαθμούς σε σύγκριση με τη θερμοκρασία περιβάλλοντος. Στους αεριοστρόβιλους και σε κινητήρες εσωτερικής καύσης (ICEs), η θερμοκρασία αυξάνεται λόγω του γεγονότος ότι το καύσιμο καίγεται μέσα στον ίδιο τον κινητήρα. Το ψυγείο μπορεί να είναι μια ατμόσφαιρα ή μια συσκευή ειδικής χρήσης για τη συμπύκνωση και την ψύξη των καυσαερίων.

Κύκλος Carnot

Κύκλος (κυκλική διαδικασία) - ένα σύνολο αλλαγών στην κατάσταση του αερίου, ως αποτέλεσμα των οποίων επιστρέφει στην αρχική του κατάσταση (μπορεί να κάνει δουλειά). Το 1824, ο Γάλλος φυσικός Sadi Carnot έδειξε ότι ο κύκλος της θερμικής μηχανής (κύκλος Carnot), που αποτελείται από δύο διαδικασίες, την ισοθερμική και την αδιαβατική, είναι ευεργετικός. Το παρακάτω σχήμα δείχνει ένα γράφημα κύκλου Carnot: 1-2 και 3-4 είναι ισόθερμες, 2-3 και 4-1 είναι adiabats.

Σύμφωνα με το νόμο της διατήρησης της ενέργειας, το έργο των θερμικών μηχανών που εκτελείται από τον κινητήρα είναι:

Α=Q₁– Q₂, όπου Q₁ είναι η ποσότητα θερμότητας που λαμβάνεται από τη θερμάστρα και Q₂ είναι η ποσότητα θερμότητας που παρέχεται στο ψυγείο. Η απόδοση μιας θερμικής μηχανής είναι ο λόγος της εργασίας Α που εκτελείται από τον κινητήρα προς την ποσότητα θερμότητας που λαμβάνεται από τη θερμάστρα:

η=A/Q=(Q₁– Q₂)/Q₁ =1 - Q₂/Q₁.

Στο έργο «Σκέψεις για την κινητήρια δύναμη της φωτιάς και για τις μηχανές που είναι ικανές να αναπτύξουν αυτή τη δύναμη» (1824), ο Carnot περιέγραψε μια θερμική μηχανή που ονομάζεται «ιδανική θερμική μηχανή με ιδανικό αέριο, η οποία είναι υγρό εργασίας». Χάρη στους νόμους της θερμοδυναμικής, είναι δυνατός ο υπολογισμός της απόδοσης (μέγιστη δυνατή) μιας θερμικής μηχανής με μια θερμάστρα που έχειθερμοκρασία T₁ και ψυγείο με θερμοκρασία T₂. Ο θερμικός κινητήρας Carnot έχει απόδοση:

η_max=(T₁ – T₂)/T 1_{=1 – T}2_/T1.

Ο Sadi Carnot απέδειξε ότι κάθε θερμικός κινητήρας είναι πραγματικός, ο οποίος λειτουργεί με θερμάστρα με θερμοκρασία T₁ και ψυγείο με θερμοκρασία T_{2 Το} δεν μπορεί να έχει απόδοση που θα υπερέβαινε την απόδοση μιας θερμικής μηχανής (ιδανική).

Μηχανή εσωτερικής καύσης (ICE)

Ένας τετράχρονος κινητήρας εσωτερικής καύσης αποτελείται από έναν ή περισσότερους κυλίνδρους, έμβολο, μηχανισμό στροφάλου, βαλβίδες εισαγωγής και εξαγωγής, κεριά.

Ο κύκλος λειτουργίας αποτελείται από τέσσερις κύκλους:

1) αναρρόφηση - το εύφλεκτο μείγμα εισέρχεται στον κύλινδρο μέσω της βαλβίδας·

2) συμπίεση - και οι δύο βαλβίδες είναι κλειστές.

4) εξάτμιση - η απελευθέρωση καυσαερίων στην ατμόσφαιρα.

Ατμοστρόβιλος

Σε έναν ατμοστρόβιλο, η ενέργεια μετατρέπεται λόγω της διαφοράς στην πίεση των υδρατμών στην είσοδο και την έξοδο.

Οι δυναμικότητες των σύγχρονων ατμοστρόβιλων φτάνουν τα 1300 MW.

Ορισμένες τεχνικές παράμετροι ατμοστρόβιλου 1200 MW

• Πίεση ατμού (φρέσκο) - 23,5 MPa.
• Θερμοκρασία ατμού - 540 °C.
• Κατανάλωση ατμού στροβίλου - 3600 t/h.
• Ταχύτητα ρότορα - 3000 rpm.
• Η πίεση ατμού στον συμπυκνωτή είναι 3,6 kPa.
• Μήκος στροβίλου - 47,9 m.
• Βάρος στροβίλου - 1900 t.

Η θερμική μηχανή αποτελείται από έναν αεροσυμπιεστή, έναν θάλαμο καύσης και έναν αεριοστρόβιλο. Αρχή λειτουργίας: ο αέρας αναρροφάται αδιαβατικά στον συμπιεστή, έτσι η θερμοκρασία του αυξάνεται στους 200 ° C ή περισσότερο. Στη συνέχεια ο πεπιεσμένος αέρας εισέρχεται στον θάλαμο καύσης, όπου ταυτόχρονα εισέρχεται υγρό καύσιμο -κηροζίνη, φωτογόνο, μαζούτ- υπό υψηλή πίεση. Όταν καίγεται καύσιμο, ο αέρας θερμαίνεται σε θερμοκρασία 1500-2000 ° C, διαστέλλεται και η ταχύτητά του αυξάνεται. Ο αέρας κινείται με υψηλή ταχύτητα και τα προϊόντα καύσης αποστέλλονται στον στρόβιλο. Μετά τη μετάβαση από στάδιο σε στάδιο, τα προϊόντα καύσης δίνουν την κινητική τους ενέργεια στα πτερύγια του στροβίλου. Μέρος της ενέργειας που λαμβάνει ο στρόβιλος πηγαίνει στην περιστροφή του συμπιεστή. το υπόλοιπο ξοδεύεται στην περιστροφή του ρότορα της ηλεκτρικής γεννήτριας, της προπέλας ενός αεροσκάφους ή θαλάσσιου σκάφους, στους τροχούς ενός αυτοκινήτου.

Μπορεί να χρησιμοποιηθεί ένας αεριοστρόβιλος, εκτός από την περιστροφή των τροχών ενός αυτοκινήτου και των ελίκων ενός αεροσκάφους ή πλοίου, ως κινητήρας τζετ. Ο αέρας και τα προϊόντα καύσης εκτοξεύονται από τον αεριοστρόβιλο με υψηλή ταχύτητα, επομένως η ώθηση εκτόξευσης που εμφανίζεται κατά τη διάρκεια αυτής της διαδικασίας μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη λειτουργία πλοίων αέρα (αεροπλάνο) και νερού (πλοία) και σιδηροδρομικών μεταφορών. Για παράδειγμα, τα αεροσκάφη An-24, An-124 ("Ruslan"), An-225 ("Dream") έχουν κινητήρες στροβιλοκινητήρα. Έτσι, το "Dream" με ταχύτητα πτήσης 700-850 km / h είναι ικανό να μεταφέρει 250 τόνους φορτίου σε απόσταση σχεδόν 15.000 km. Είναι το μεγαλύτερο μεταφορικό αεροσκάφος στον κόσμο.

Περιβαλλοντικά προβλήματα θερμικών μηχανών

Εχει μεγάλη επίδραση στο κλίματην κατάσταση της ατμόσφαιρας, ιδίως την παρουσία διοξειδίου του άνθρακα και υδρατμών. Έτσι, μια αλλαγή στην περιεκτικότητα σε διοξείδιο του άνθρακα οδηγεί σε αύξηση ή μείωση του φαινομένου του θερμοκηπίου, στο οποίο το διοξείδιο του άνθρακα απορροφά εν μέρει τη θερμότητα που εκπέμπει η Γη στο διάστημα, τη συγκρατεί στην ατμόσφαιρα και ως εκ τούτου αυξάνει τη θερμοκρασία της επιφάνειας και χαμηλότερα στρώματα της ατμόσφαιρας. Το φαινόμενο του φαινομένου του θερμοκηπίου παίζει καθοριστικό ρόλο στον μετριασμό του κλίματος. Ελλείψει αυτού, η μέση θερμοκρασία του πλανήτη δεν θα ήταν +15 °C, αλλά χαμηλότερη κατά 30-40 °C.

Τώρα υπάρχουν περισσότεροι από 300 εκατομμύρια διαφορετικοί τύποι αυτοκινήτων στον κόσμο, που δημιουργούν περισσότερο από το ήμισυ της ατμοσφαιρικής ρύπανσης.

Για 1 χρόνο, 150 εκατομμύρια τόνοι οξειδίων του θείου, 50 εκατομμύρια τόνοι οξειδίου του αζώτου, 50 εκατομμύρια τόνοι τέφρας, 200 εκατομμύρια τόνοι μονοξειδίου του άνθρακα, 3 εκατομμύρια τόνοι φαιών απελευθερώνονται στην ατμόσφαιρα από θερμοηλεκτρικούς σταθμούς ως αποτέλεσμα της καύσης καυσίμου.

Η ατμόσφαιρα περιέχει όζον, το οποίο προστατεύει όλη τη ζωή στη γη από τις βλαβερές συνέπειες των υπεριωδών ακτίνων. Το 1982, ο J. Farman, ένας Άγγλος ερευνητής, ανακάλυψε μια τρύπα του όζοντος πάνω από την Ανταρκτική - μια προσωρινή μείωση της περιεκτικότητας σε όζον στην ατμόσφαιρα. Τη στιγμή της μέγιστης ανάπτυξης της τρύπας του όζοντος στις 7 Οκτωβρίου 1987, η ποσότητα του όζοντος σε αυτήν μειώθηκε κατά 2 φορές. Η τρύπα του όζοντος πιθανότατα προέκυψε ως αποτέλεσμα ανθρωπογενών παραγόντων, συμπεριλαμβανομένης της χρήσης στη βιομηχανία φρεονών που περιέχουν χλώριο (φρεόν), τα οποία καταστρέφουν το στρώμα του όζοντος. Ωστόσο, η έρευνα στη δεκαετία του 1990 δεν υποστήριξε αυτή την άποψη. Πιθανότατα μια τρύπα του όζοντοςδεν συνδέεται με την ανθρώπινη δραστηριότητα και είναι μια φυσική διαδικασία. Το 1992, μια τρύπα του όζοντος ανακαλύφθηκε επίσης πάνω από την Αρκτική.

Εάν όλο το ατμοσφαιρικό όζον συγκεντρωθεί σε ένα στρώμα κοντά στην επιφάνεια της Γης και πυκνώσει στην πυκνότητα του αέρα σε κανονική ατμοσφαιρική πίεση και θερμοκρασία 0 °C, τότε το πάχος της ασπίδας του όζοντος θα είναι μόνο 2-3 mm! Αυτή είναι όλη η ασπίδα.

Λίγη ιστορία…

• Ιούλιος 1769. Ο στρατιωτικός μηχανικός N. J. Kunyo ταξίδεψε αρκετές δεκάδες μέτρα στο πάρκο Meudon στο Παρίσι με ένα «πυρικό καρότσι», το οποίο ήταν εξοπλισμένο με μια δικύλινδρη ατμομηχανή.
• 1885. Ο Karl Benz, ένας Γερμανός μηχανικός, κατασκεύασε το πρώτο βενζινοκίνητο τετράχρονο τρίτροχο αυτοκίνητο Motorwagen με ισχύ 0,66 kW, για το οποίο έλαβε δίπλωμα ευρεσιτεχνίας στις 29 Ιανουαρίου 1886. Η ταχύτητα του αυτοκινήτου έφτασε τα 15-18 km/h.
• 1891. Ο Γκότλιμπ Ντάιμλερ, ένας Γερμανός εφευρέτης, κατασκεύασε ένα φορτηγό με κινητήρα 2,9 kW (4 ίππους) από επιβατικό αυτοκίνητο. Η μέγιστη ταχύτητα του αυτοκινήτου έφτασε τα 10 km/h, η χωρητικότητα μεταφοράς σε διάφορα μοντέλα κυμαινόταν από 2 έως 5 τόνους.
• 1899. Ο Βέλγος C. Zhenatzi πέρασε το όριο ταχύτητας των 100 χιλιομέτρων για πρώτη φορά με το αυτοκίνητό του "James Contint" ("Πάντα δυσαρεστημένος").

Παραδείγματα επίλυσης προβλημάτων

Πρόβλημα 1. Μια ιδανική θερμική μηχανή έχει θερμοκρασία θερμαντήρα 2000 K και θερμοκρασία ψυγείου 100 °C. Προσδιορίστε την αποτελεσματικότητα.

Λύση:

Ο τύπος που καθορίζει την απόδοση μιας θερμικής μηχανής (μέγιστο):

ŋ=T₁-T₂/T_1.

ŋ=(2000K - 373K) / 2000 K=0,81.

Απάντηση: Η απόδοση του κινητήρα είναι 81%.

Εργασία 2. Λήφθηκαν 200 kJ θερμότητας στη θερμική μηχανή κατά την καύση του καυσίμου και 120 kJ θερμότητας μεταφέρθηκαν στο ψυγείο. Ποια είναι η απόδοση του κινητήρα;

Λύση:

Ο τύπος για τον προσδιορισμό της απόδοσης είναι ο εξής:

ŋ=Q1 - Q2 / Q1.

ŋ=(2 10⁵ J - 1, 2 10^{5 J) / 2 10}5 ^{J=0, 4.}

Απάντηση: Η απόδοση μιας θερμικής μηχανής είναι 40%.

Πρόβλημα 3. Ποια είναι η απόδοση μιας θερμικής μηχανής εάν το λειτουργικό ρευστό, αφού λάβει 1,6 MJ θερμότητας από τη θερμάστρα, εκτελεί 400 kJ δουλειάς; Πόση θερμότητα μεταφέρθηκε στο ψυγείο;

Λύση:

Η απόδοση μπορεί να προσδιοριστεί από τον τύπο

ŋ=A / Q_1.

ŋ=0,4 10⁶ J / 1,6 10⁶ J=0,25.

Η ποσότητα θερμότητας που μεταφέρεται στο ψυγείο μπορεί να προσδιοριστεί με τον τύπο

Q₁ - A=Q_2.

Q₂=1,6 10⁶ J - 0,4 10⁶ J=1,2 10^6J. Απάντηση: ένας θερμικός κινητήρας έχει απόδοση 25%. η ποσότητα θερμότητας που μεταφέρεται στο ψυγείο είναι 1,2 10

6 ^J.