Ջերմային շարժիչի արդյունավետությունը. Ջերմային շարժիչի արդյունավետություն - սահմանման բանաձև

2024 Հեղինակ: Angel Austin | [email protected]. Վերջին փոփոխված: 2024-01-02 17:49

Մեքենաների բազմաթիվ տեսակների աշխատանքը բնութագրվում է այնպիսի կարևոր ցուցանիշով, ինչպիսին է ջերմային շարժիչի արդյունավետությունը։ Ամեն տարի ինժեներները ձգտում են ստեղծել ավելի առաջադեմ սարքավորումներ, որոնք վառելիքի ավելի ցածր գնով առավելագույն արդյունք կտան դրա օգտագործումից։

Ջերմային շարժիչի սարք

Արդյունավետությունը հասկանալուց առաջ անհրաժեշտ է հասկանալ, թե ինչպես է գործում այս մեխանիզմը։ Առանց դրա գործողության սկզբունքները իմանալու, անհնար է պարզել այս ցուցանիշի էությունը: Ջերմային շարժիչը սարք է, որն աշխատում է ներքին էներգիայի օգտագործմամբ: Ցանկացած ջերմային շարժիչ, որը ջերմային էներգիան վերածում է մեխանիկական էներգիայի, օգտագործում է նյութերի ջերմային ընդլայնումը ջերմաստիճանի բարձրացման հետ: Պինդ վիճակում գտնվող շարժիչներում հնարավոր է փոխել ոչ միայն նյութի ծավալը, այլև մարմնի ձևը։ Նման շարժիչի աշխատանքը ենթարկվում է թերմոդինամիկայի օրենքներին։

Օպերատիվ սկզբունք

Որպեսզի հասկանանք, թե ինչպես է աշխատում ջերմային շարժիչը, անհրաժեշտ է հաշվի առնել հիմունքներընրա նախագծերը։ Սարքի աշխատանքի համար անհրաժեշտ է երկու մարմին՝ տաք (տաքացուցիչ) և սառը (սառնարան, հովացուցիչ)։ Ջերմային շարժիչների աշխատանքի սկզբունքը (ջերմային շարժիչների արդյունավետությունը) կախված է դրանց տեսակից։ Հաճախ գոլորշու կոնդենսատորը գործում է որպես սառնարան, իսկ վառարանում այրվող ցանկացած տեսակի վառելիք՝ որպես ջեռուցիչ: Իդեալական ջերմային շարժիչի արդյունավետությունը պարզվում է հետևյալ բանաձևով.

Արդյունավետություն=(Theating - Cooling)/ Theating. x 100%.

Միևնույն ժամանակ իրական շարժիչի արդյունավետությունը երբեք չի կարող գերազանցել այս բանաձևի համաձայն ստացված արժեքը։ Բացի այդ, այս ցուցանիշը երբեք չի գերազանցի վերը նշված արժեքը: Արդյունավետությունը բարձրացնելու համար ամենից հաճախ բարձրացրեք ջեռուցիչի ջերմաստիճանը և նվազեցրեք սառնարանի ջերմաստիճանը։ Այս երկու գործընթացներն էլ կսահմանափակվեն սարքավորումների իրական աշխատանքային պայմաններով:

Ջերմային շարժիչի արդյունավետություն (բանաձև)

Ջերմային շարժիչի աշխատանքի ընթացքում աշխատանքներ են կատարվում, քանի որ գազը սկսում է էներգիա կորցնել և սառչում է մինչև որոշակի ջերմաստիճան։ Վերջինս սովորաբար մի քանի աստիճանով բարձր է շրջապատող մթնոլորտից։ Սա սառնարանի ջերմաստիճանն է: Նման հատուկ սարքը նախատեսված է արտանետվող գոլորշու հետագա խտացումով սառեցնելու համար: Այնտեղ, որտեղ առկա են կոնդենսատորներ, սառնարանի ջերմաստիճանը երբեմն ցածր է շրջակա միջավայրի ջերմաստիճանից:

Ջերմային շարժիչում մարմինը, երբ տաքանում և ընդլայնվում է, ի վիճակի չէ իր ամբողջ ներքին էներգիան տալ աշխատանք կատարելու համար: Ջերմության մի մասը արտանետվող գազերի կամ գոլորշու հետ կտեղափոխվի սառնարան: Այս մասըջերմային ներքին էներգիան անխուսափելիորեն կորչում է: Վառելիքի այրման ժամանակ աշխատանքային մարմինը ջեռուցիչից ստանում է որոշակի քանակությամբ ջերմություն Q₁: Միևնույն ժամանակ, այն դեռ աշխատում է A, որի ընթացքում ջերմային էներգիայի մի մասը փոխանցում է սառնարան՝ Q₂<Q_1..

արդյունավետությունը բնութագրում է շարժիչի արդյունավետությունը էներգիայի փոխակերպման և փոխանցման ոլորտում: Այս ցուցանիշը հաճախ չափվում է որպես տոկոս: Արդյունավետության բանաձև՝

ηA/Qx100%, որտեղ Q-ը ծախսած էներգիան է, A-ն օգտակար աշխատանքն է:

Ելնելով էներգիայի պահպանման օրենքից՝ կարող ենք եզրակացնել, որ արդյունավետությունը միշտ կլինի մեկից պակաս։ Այլ կերպ ասած, երբեք չի լինի ավելի օգտակար աշխատանք, քան դրա վրա ծախսված էներգիան։

Շարժիչի արդյունավետությունը օգտակար աշխատանքի հարաբերակցությունն է ջեռուցիչի կողմից մատակարարվող էներգիային: Այն կարող է ներկայացվել որպես հետևյալ բանաձևը՝

η=(Q₁-Q₂)/ Q₁, որտեղ Q ₁ - ջերմություն ստացված ջեռուցիչից, և Q_{2 - տրվում է սառնարանին:}

Ջերմային շարժիչի շահագործում

Ջերմային շարժիչի կողմից կատարված աշխատանքը հաշվարկվում է հետևյալ բանաձևով.

A=|Q_H| - |Q_X|, որտեղ A-ն աշխատանք է, Q_H-ը ջեռուցիչից ստացվող ջերմության քանակն է, Q_{X - հովացուցիչին տրվող ջերմության քանակը:}

Ջերմային շարժիչի արդյունավետություն (բանաձև):

|Q_H| - |Q_X|)/|Q_H|=1 - |Q_X|/|Q_H|

Հավասար է շարժիչի կատարած աշխատանքի հարաբերակցությանըջերմություն. Ջերմային էներգիայի մի մասը կորչում է այս փոխանցման ժամանակ։

Carnot շարժիչ

Ջերմային շարժիչի առավելագույն արդյունավետությունը նշվում է Carnot սարքում: Դա պայմանավորված է նրանով, որ այս համակարգում դա կախված է միայն տաքացուցիչի (Тн) և հովացուցիչի (Тх) բացարձակ ջերմաստիճանից։ Կարնո ցիկլով աշխատող ջերմային շարժիչի արդյունավետությունը որոշվում է հետևյալ բանաձևով՝

(Тн - Тх)/ Тн=- Тх - Тн.

Թերմոդինամիկայի օրենքները մեզ թույլ տվեցին հաշվարկել հնարավոր առավելագույն արդյունավետությունը: Առաջին անգամ այս ցուցանիշը հաշվարկել է ֆրանսիացի գիտնական և ինժեներ Սադի Կարնոն։ Նա հորինեց ջերմային շարժիչ, որն աշխատում էր իդեալական գազով: Այն աշխատում է 2 իզոթերմների և 2 ադիաբատների ցիկլի վրա։ Գործողության սկզբունքը բավականին պարզ է՝ գազով անոթի մեջ մտցվում է տաքացուցիչի կոնտակտ, որի արդյունքում աշխատանքային հեղուկը իզոթերմորեն ընդլայնվում է։ Միաժամանակ այն գործում է և ստանում որոշակի քանակությամբ ջերմություն։ Նավի ջերմամեկուսացումից հետո: Չնայած դրան, գազը շարունակում է ընդլայնվել, բայց արդեն ադիաբատիկ (առանց շրջակա միջավայրի հետ ջերմափոխանակության): Այս պահին նրա ջերմաստիճանը նվազում է մինչև սառնարան: Այս պահին գազը շփվում է սառնարանի հետ, ինչի արդյունքում իզոմետրիկ սեղմման ժամանակ նրան տալիս է որոշակի ջերմություն։ Այնուհետեւ նավը կրկին ջերմամեկուսացված է: Այս դեպքում գազը ադիաբատիկ կերպով սեղմվում է իր սկզբնական ծավալին և վիճակին:

Տարատեսակներ

Մեր ժամանակներում կան ջերմային շարժիչների բազմաթիվ տեսակներ, որոնք աշխատում են տարբեր սկզբունքներով և տարբեր վառելիքով: Նրանք բոլորն ունեն իրենց արդյունավետությունը: Դրանք ներառում ենհետևյալը՝

• Ներքին այրման շարժիչ (մխոց), որը մեխանիզմ է, որտեղ այրվող վառելիքի քիմիական էներգիայի մի մասը վերածվում է մեխանիկական էներգիայի: Նման սարքերը կարող են լինել գազ և հեղուկ: Առկա են 2 և 4 հարվածային շարժիչներ։ Նրանք կարող են ունենալ շարունակական աշխատանքային ցիկլ: Վառելիքի խառնուրդի պատրաստման մեթոդի համաձայն, այդպիսի շարժիչներն են կարբյուրատորը (արտաքին խառնուրդի ձևավորմամբ) և դիզելային (ներքինով): Ըստ էներգիայի փոխարկիչի տեսակների՝ դրանք բաժանվում են մխոցային, ռեակտիվ, տուրբինային, համակցված։ Նման մեքենաների արդյունավետությունը չի գերազանցում 0,5-ը։

• Stirling շարժիչ - սարք, որի աշխատանքային հեղուկը գտնվում է փակ տարածքում։ Արտաքին այրման շարժիչի տեսակ է։ Նրա գործունեության սկզբունքը հիմնված է մարմնի պարբերական սառեցման/տաքացման վրա՝ դրա ծավալի փոփոխության պատճառով էներգիայի արտադրությամբ։ Այն ամենաարդյունավետ շարժիչներից մեկն է։

• Տուրբինային (պտտվող) շարժիչ՝ վառելիքի արտաքին այրմամբ։ Նման կայանքներն առավել հաճախ հանդիպում են ՋԷԿ-երում։

• Տուրբինային (պտտվող) ICE օգտագործվում է ջերմային էլեկտրակայաններում պիկ ռեժիմում: Ոչ այնքան տարածված, որքան մյուսները:

• Տուրբոշարժիչն առաջացնում է մղման մի մասը պտուտակի շնորհիվ: Մնացածը գալիս է արտանետվող գազերից։ Դրա դիզայնը պտտվող շարժիչ է (գազային տուրբին), որի լիսեռի վրա տեղադրված է պտուտակ։

Ջերմային շարժիչների այլ տեսակներ

• Հրթիռային, տուրբոռեակտիվ և ռեակտիվ շարժիչներ, որոնք մղվում են հետադարձիցարտանետվող գազեր.

• Պինդ վիճակում գտնվող շարժիչներն օգտագործում են պինդ նյութերը որպես վառելիք: Աշխատելիս ոչ թե դրա ծավալն է փոխվում, այլ ձևը։ Սարքավորման շահագործումը օգտագործում է չափազանց ցածր ջերմաստիճանի տարբերություն:

Ինչպես բարելավել արդյունավետությունը

Հնարավո՞ր է բարձրացնել ջերմային շարժիչի արդյունավետությունը: Պատասխանը պետք է փնտրել թերմոդինամիկայի մեջ։ Այն ուսումնասիրում է էներգիայի տարբեր տեսակների փոխադարձ փոխակերպումները։ Հաստատվել է, որ հնարավոր չէ ամբողջ հասանելի ջերմային էներգիան վերածել էլեկտրական, մեխանիկական և այլնի։ Միևնույն ժամանակ, դրանց փոխակերպումը ջերմային էներգիայի տեղի է ունենում առանց որևէ սահմանափակման։ Դա հնարավոր է շնորհիվ այն բանի, որ ջերմային էներգիայի բնույթը հիմնված է մասնիկների խանգարված (քաոսային) շարժման վրա։

Որքան շատ մարմինը տաքանա, այնքան ավելի արագ կշարժվեն այն կազմող մոլեկուլները: Մասնիկների շարժումը կդառնա էլ ավելի անկանոն: Սրա հետ մեկտեղ բոլորը գիտեն, որ կարգը հեշտությամբ կարելի է վերածել քաոսի, ինչը շատ դժվար է պատվիրել։