Ջերմային շարժիչ՝ ցիկլ, աշխատանք, արդյունավետություն: Ջերմային մեքենաների էկոլոգիական խնդիրները. Ո՞րն է իդեալական ջերմային շարժիչը:

2024 Հեղինակ: Angel Austin | [email protected]. Վերջին փոփոխված: 2023-12-17 05:30

Արտադրության մեջ մեխանիկական էներգիա օգտագործելու անհրաժեշտությունը հանգեցրեց ջերմային շարժիչների առաջացմանը։

Ջերմային շարժիչների նախագծում

Ջերմային շարժիչ (ջերմային շարժիչ)՝ ներքին էներգիան մեխանիկական էներգիայի վերածելու սարք։

Ցանկացած ջերմային շարժիչ ունի ջեռուցիչ, աշխատող հեղուկ (գազ կամ գոլորշու), որը տաքացման արդյունքում կատարում է աշխատանք (պտտեցնում է տուրբինի լիսեռը, շարժում է մխոցը և այլն) և սառնարան։ Ստորև բերված նկարը ցույց է տալիս ջերմային շարժիչի դիագրամը:

Ջերմային շարժիչների հիմունքներ

Յուրաքանչյուր ջերմային շարժիչ գործում է շարժիչի շնորհիվ: Աշխատանքն անելու համար նա պետք է ճնշման տարբերություն ունենա շարժիչի մխոցի կամ տուրբինի շեղբերների երկու կողմերում: Այս տարբերությունը ձեռք է բերվում բոլոր ջերմային շարժիչներում հետևյալ կերպ՝ աշխատանքային հեղուկի ջերմաստիճանը բարձրանում է հարյուրավոր կամ հազարավոր աստիճաններով՝ համեմատած շրջակա միջավայրի ջերմաստիճանի հետ։ Գազի տուրբիններում և ներքին այրման շարժիչներում (ICEs) ջերմաստիճանը բարձրանում է այն պատճառով, որ վառելիքը այրվում է հենց շարժիչի ներսում:Սառնարանը կարող է լինել մթնոլորտ կամ հատուկ նշանակության սարք արտանետվող գոլորշու խտացման և սառեցման համար։

Carnot ցիկլ

Ցիկլ (շրջանաձև պրոցես) - գազի վիճակի փոփոխությունների ամբողջություն, որի արդյունքում այն վերադառնում է իր սկզբնական վիճակին (կարող է աշխատել)։ 1824 թվականին ֆրանսիացի ֆիզիկոս Սադի Կարնոն ցույց տվեց, որ ջերմային շարժիչի ցիկլը (Carnot ցիկլը), որը բաղկացած է երկու գործընթացներից՝ իզոթերմային և ադիաբատիկ, շահավետ է։ Ստորև բերված նկարը ցույց է տալիս Կարնո ցիկլի գրաֆիկը. 1-2-ը և 3-4-ը իզոթերմ են, 2-3 և 4-1-ը՝ ադիաբատներ:

Էներգիայի պահպանման օրենքի համաձայն՝ շարժիչի կողմից կատարվող ջերմային շարժիչների աշխատանքը հետևյալն է՝

Ա=Q₁– Q₂, որտեղ Q₁-ը ջեռուցիչից ստացվող ջերմության քանակն է, իսկ Q₂-ը սառնարան մատակարարվող ջերմության քանակն է:Ջերմային շարժիչի արդյունավետությունը շարժիչի կատարած A աշխատանքի հարաբերակցությունն է ջեռուցիչից ստացվող ջերմության քանակին:

η=A/Q=(Q₁– Q₂)/Q₁ =1 - Q₂/Q₁.

«Մտքեր կրակի շարժիչ ուժի և մեքենաների մասին, որոնք կարող են զարգացնել այս ուժը» աշխատության մեջ (1824 թ.) Կարնոն նկարագրել է ջերմային շարժիչ, որը կոչվում է «իդեալական ջերմային շարժիչ՝ իդեալական գազով, որը աշխատանքային հեղուկ»: Թերմոդինամիկայի օրենքների շնորհիվ հնարավոր է հաշվարկել ջերմային շարժիչի արդյունավետությունը (առավելագույնը հնարավոր) ջեռուցիչով, որն ունի.ջերմաստիճանը T₁ և սառնարան T₂ ջերմաստիճանով: Carnot ջերմային շարժիչն ունի արդյունավետություն՝

η_max=(T₁ – T₂)/T 1_{=1 – T}2_/T1.

Սադի Կարնոն ապացուցեց, որ ցանկացած ջերմային շարժիչ իրական է, որն աշխատում է T₁ ջերմաստիճանով տաքացուցիչով և T_{2 ջերմաստիճանով սառնարանով:} -ն ի վիճակի չէ ունենալ այնպիսի արդյունավետություն, որը կգերազանցի ջերմային շարժիչի արդյունավետությունը (իդեալական):

Ներքին այրման շարժիչ (ICE)

Չորս հարվածային ներքին այրման շարժիչը բաղկացած է մեկ կամ մի քանի բալոններից, մխոցից, կռունկի մեխանիզմից, մուտքի և արտանետման փականներից, մոմերից:

Աշխատանքային ցիկլը բաղկացած է չորս ցիկլից.

1) ներծծում - այրվող խառնուրդը մտնում է մխոց փականի միջոցով;

2) սեղմում - երկու փականները փակ են;

3) աշխատանքային հարված - այրվող խառնուրդի պայթուցիկ այրում;

4) արտանետում - արտանետվող գազերի արտանետում մթնոլորտ:

Գոլորշի տուրբին

Գոլորշի տուրբինում էներգիան փոխակերպվում է մուտքի և ելքի ջրի գոլորշիների ճնշման տարբերության պատճառով:

Ժամանակակից գոլորշու տուրբինների հզորությունները հասնում են 1300 ՄՎտ-ի:

1200 ՄՎտ շոգետուրբինի որոշ տեխնիկական պարամետրեր

• գոլորշու ճնշում (թարմ) - 23,5 ՄՊա։
• Գոլորշու ջերմաստիճան - 540 °C.
• Տուրբինային գոլորշու սպառում - 3600 տ/ժ։
• Ռոտորի արագություն - 3000 rpm.
• Գոլորշու ճնշումը կոնդենսատորում 3,6 կՊա է։
• Տուրբինի երկարությունը - 47,9 մ.
• Տուրբինի քաշը - 1900 տ.

Ջերմային շարժիչը բաղկացած է օդային կոմպրեսորից, այրման պալատից և գազատուրբինից։ Գործողության սկզբունքը. օդը ադիաբատիկ կերպով ներծծվում է կոմպրեսորի մեջ, ուստի դրա ջերմաստիճանը բարձրանում է մինչև 200 ° C կամ ավելի: Այնուհետեւ սեղմված օդը մտնում է այրման խցիկ, որտեղ միաժամանակ բարձր ճնշման տակ մտնում է հեղուկ վառելիք՝ կերոսին, ֆոտոգեն, մազութ։ Երբ վառելիքը այրվում է, օդը տաքանում է մինչև 1500-2000 ° C ջերմաստիճան, ընդլայնվում է, և դրա արագությունը մեծանում է: Օդը շարժվում է մեծ արագությամբ, և այրման արտադրանքը ուղարկվում է տուրբին: Բեմից փուլ անցնելուց հետո այրման արտադրանքներն իրենց կինետիկ էներգիան տալիս են տուրբինի շեղբերին։ Տուրբինի ստացած էներգիայի մի մասը գնում է կոմպրեսորի պտույտին. մնացածը ծախսվում է էլեկտրական գեներատորի ռոտորի, օդանավի կամ ծովային նավի պտուտակի, մեքենայի անիվների պտտման վրա։

Գազային տուրբինը, բացի մեքենայի անիվները և ինքնաթիռի կամ նավի պտուտակներ պտտելուց, կարող է օգտագործվել որպես ռեակտիվ շարժիչ: Օդը և այրման արտադրանքները գազատուրբինից դուրս են մղվում մեծ արագությամբ, ուստի այս գործընթացի ընթացքում առաջացող ռեակտիվ մղումը կարող է օգտագործվել օդային (ինքնաթիռ) և ջրային (նավ) նավերի և երկաթուղային տրանսպորտի համար: Օրինակ, Ան-24, Ան-124 («Ռուսլան»), Ան-225 («Երազ») ինքնաթիռներն ունեն տուրբոպրոպ շարժիչներ։ Այսպիսով, «Dream»-ը 700-850 կմ/ժ թռիչքի արագությամբ ունակ է տեղափոխել 250 տոննա բեռ գրեթե 15000 կմ հեռավորության վրա։ Դա աշխարհի ամենամեծ տրանսպորտային ինքնաթիռն է։

Ջերմային շարժիչների բնապահպանական խնդիրները

Մեծ ազդեցություն ունի կլիմայի վրամթնոլորտի վիճակը, մասնավորապես ածխաթթու գազի և ջրի գոլորշիների առկայությունը: Այսպիսով, ածխաթթու գազի պարունակության փոփոխությունը հանգեցնում է ջերմոցային էֆեկտի ավելացման կամ նվազման, որի դեպքում ածխաթթու գազը մասամբ կլանում է ջերմությունը, որը Երկիրը ճառագայթում է տիեզերք, պահպանում է այն մթնոլորտում և դրանով իսկ բարձրացնում է մակերեսի ջերմաստիճանը և մթնոլորտի ստորին շերտերը. Ջերմոցային էֆեկտի երևույթը որոշիչ դեր է խաղում կլիմայի մեղմացման գործում։ Դրա բացակայության դեպքում մոլորակի միջին ջերմաստիճանը կլինի ոչ թե +15 °С, այլ ավելի ցածր 30-40 °С-ով։

Այժմ աշխարհում կա ավելի քան 300 միլիոն տարբեր տեսակի մեքենաներ, որոնք ստեղծում են օդի աղտոտվածության կեսից ավելին։

1 տարվա ընթացքում ջերմային էլեկտրակայաններից մթնոլորտ է արտանետվում 150 մլն տոննա ծծմբի օքսիդ, 50 մլն տոննա ազոտի օքսիդ, 50 մլն տոննա մոխիր, 200 մլն տոննա ածխածնի օքսիդ, 3 մլն տոննա ֆեոն։ վառելիքի այրման արդյունքում։

Մթնոլորտը պարունակում է օզոն, որը պաշտպանում է երկրագնդի ողջ կյանքը ուլտրամանուշակագույն ճառագայթների վնասակար ազդեցությունից: 1982 թվականին անգլիացի հետազոտող Ջ. Ֆարմանը Անտարկտիդայի վրա հայտնաբերեց օզոնի անցք՝ մթնոլորտում օզոնի պարունակության ժամանակավոր նվազում: 1987 թվականի հոկտեմբերի 7-ին օզոնային անցքի առավելագույն զարգացման պահին նրանում օզոնի քանակը նվազել է 2 անգամ։ Օզոնային փոսը, հավանաբար, առաջացել է մարդածին գործոնների հետևանքով, այդ թվում՝ արդյունաբերության մեջ քլոր պարունակող ֆրեոնների (ֆրեոնների) օգտագործման արդյունքում, որոնք քայքայում են օզոնային շերտը։ Այնուամենայնիվ, հետազոտությունները 1990-ական թթ չաջակցեց այս տեսակետին: Ամենայն հավանականությամբ՝ օզոնային փոսկապված չէ մարդու գործունեության հետ և բնական գործընթաց է: 1992 թվականին օզոնի անցք հայտնաբերվեց նաև Արկտիկայի վրա։

Եթե ամբողջ մթնոլորտային օզոնը հավաքվի Երկրի մակերևույթին մոտ գտնվող շերտում և խտացվի մինչև օդի խտությունը նորմալ մթնոլորտային ճնշման և 0 °C ջերմաստիճանի դեպքում, ապա օզոնային վահանի հաստությունը կլինի ընդամենը 2-3: մմ! Դա ամբողջ վահանն է։

Մի քիչ պատմություն…

• հուլիս 1769թ. Ռազմական ինժեներ Ն. Ջ. Կունյոն մի քանի տասնյակ մետր անցավ Փարիզի Մեդոն այգում «հրշեջ սայլով», որը հագեցած էր երկմխոցանի շոգեշարժիչով։

։

• 1885. Գերմանացի ինժեներ Կառլ Բենցը կառուցեց 0,66 կՎտ հզորությամբ առաջին բենզինային քառանիվ եռանիվ Motorwagen մեքենան, որի համար արտոնագիր ստացավ 1886 թվականի հունվարի 29-ին։ Մեքենայի արագությունը հասել է 15-18 կմ/ժ-ի։
• 1891. Գերմանացի գյուտարար Գոթլիբ Դայմլերը մարդատար ավտոմեքենայից 2,9 կՎտ (4 ձիաուժ) շարժիչով բեռնատար մեքենա է պատրաստել։ Մեքենայի առավելագույն արագությունը հասնում էր 10 կմ/ժ-ի, տարբեր մոդելներում կրող հզորությունը տատանվում էր 2-ից 5 տոննայի սահմաններում։
• 1899. Բելգիացի Կ. Ժենացին իր «Ջեյմս Կոնտինտ» («Միշտ դժգոհ» մեքենայով առաջին անգամ հատել է 100 կիլոմետր արագությունը։

Խնդիրների լուծման օրինակներ

Խնդիր 1. Իդեալական ջերմային շարժիչը ունի 2000 K տաքացուցիչի ջերմաստիճան, իսկ սառնարանի ջերմաստիճանը 100 °C: Որոշեք արդյունավետությունը։

Լուծում.

Ջերմային շարժիչի արդյունավետությունը որոշող բանաձև (առավելագույնը):

ŋ=T₁-T₂/T_1.

ŋ=(2000K - 373K) / 2000 K=0,81.

Պատասխան. Շարժիչի արդյունավետությունը 81% է.

Առաջադրանք 2. Ջերմային շարժիչում վառելիքի այրման ժամանակ ստացվել է 200 կՋ ջերմություն, իսկ սառնարան՝ 120 կՋ ջերմություն: Ո՞րն է շարժիչի արդյունավետությունը:

Լուծում.

Արդյունավետությունը որոշելու բանաձևը հետևյալն է.

ŋ=Q1 - Q2 / Q1.

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

Պատասխան. Ջերմային շարժիչի արդյունավետությունը 40% է.

Խնդիր 3. Որքա՞ն է ջերմային շարժիչի արդյունավետությունը, եթե աշխատող հեղուկը, տաքացուցիչից 1,6 ՄՋ ջերմություն ստանալուց հետո, կատարում է 400. կՋ աշխատանքի? Որքա՞ն ջերմություն է փոխանցվել սառնարանին։

Լուծում.

արդյունավետությունը կարելի է որոշել

բանաձևով

ŋ=A / Q_1.

ŋ=0,4 10⁶ J / 1,6 10⁶ J=0,25.

Սառնարան տեղափոխվող ջերմության քանակը կարելի է որոշել

բանաձևով

Q₁ - A=Q_2.

Q₂=1,6 10⁶ J - 0,4 10⁶ J=1,2 10^6J. Պատասխան՝ ջերմային շարժիչն ունի 25% արդյունավետություն; Սառնարան փոխանցվող ջերմության քանակը 1.2 է 10

6 ^J.