מנוע חום: מחזור, את יעילות העבודה. בעיות סביבתיות של מכונות תרמית. מה זה - מנוע חום אידיאלי?

הצורך בשימוש של אנרגיה מכאנית בייצור הוביל הופעתה של מכונות תרמית.

יחידת מנועי חום

מנוע חום (מנוע חום), - מכשיר להמרת אנרגיה פנימית לאנרגיה מכנית.

כל מנוע חום יש דוד, זורם עובר (גז או אדים), אשר מבצע עבודה על ידי חימום (וכתוצאה מכך הסיבוב של הטורבינה, את מהלכי הבוכנה, וכן הלאה) ומקרר. האיור שלהלן מציג תרשים של מנוע החום.

צעדים בסיסיים של מנועי חום

כל תפקוד מנוע חום בשל המנוע. כדי לעשות את העבודה נחוצה משני צדי להבי הבוכנה או טורבינת מנוע היה הבדל בלחץ. הבדל זו מושג בכל מנועי החום כדלקמן: טמפרטורת הנוזל עובדת גדלה למאה או אלף מעלות לעומת טמפרטורת הסביבה. בשנת טורבינות גז ומנועי בעירה פנימית (ICE) היא עלייה בטמפרטורה בשל העובדה כי הדלק נשרף בתוך המנוע. מקרר יכול לפעול באווירה או מכשיר ייעודי לכלל קירור עיבוי קיטור בילו.

מחזור קרנו

מחזור (תהליך מחזורי) - סט של שינויים במצב גז, וכתוצאה מכך הוא חזר למצב ההתחלתי (הוא יכול לבצע את העבודה). בשנת 1824, פיזיקאי צרפתי סאדי Karno הראה כי זה יתרון מחזור מנוע חום (המחזור קרן), אשר מורכב משני תהליכים - את הבידוד התרמי ו adiabatic. האיור שלהלן מציג גרף של מחזור קרנו: 1-2 ו 3-4 - איזותרמיות, 2-3 ו 4-1 - adiabatic.

בהתאם חוק שימור האנרגיה העבודה של מנועי חום אשר מבצעת מנוע הוא:

A = ש ₁ - Q _2,

₁ היכן ש - כמות החום המתקבל מן התנור, ואת ₂ Q - כמות החום אשר נדחקו אל המקרר.
יעילות היא היחס בין פעולת מנוע חום אשר מבצעת את המנוע לכמות החום המתקבלת מן התנור:

η = A / Q = (Q ₁ - Q ₂₎ / Q ₁ = 1 - ש ₂ / ש _1.

ב "מחשבות על הכח המניע של אש על מכונה כי הם מסוגלים לפתח כוח זה" (1824) תאר מנוע חום קרן תחת השם "מנוע חום אידיאלי עם גז אידאלי, שהנו גוף עובד." בשל חוקי התרמודינמיקה יכול לחשב את היעילות (למקסימום האפשרי) עם דוד מנוע חום אשר יש טמפרטורה T _1, ומקרר בעל טמפרטורה T _2. יעילות חום מנוע קרנו היא:

η _{מקסימום} = (T ₁ - T ₂₎ / T ₁ = 1 - T ₂ / T _1.

סאדי Karno הוכיח כי מכונת אמת תרמית רצויה, הפועלת עם תנור עם הטמפרטורה T ₁ ו קבל בטמפרטורת T ₂ הוא לא מסוגלת להיות יעיל אשר יעלה את היעילות של מנוע החום (האידיאלי).

מנוע בעירה פנימי (ICE)

ארבע פעימות מנוע בעירה פנימית כולל צילינדרים אחד או יותר, בוכנה, מנגנון ארכובה, צריכה שסתום פליטה, ניצוץ.

תקופת המחזור התפעולי מורכב מארבע משיכות:

1) ומציצת - תערובת דליקה עובר דרך שסתום לתוך הצילינדר;
2) דחיסה - שני שסתומים סגורים;
3) שבץ - בעירת הנפץ של התערובת הדליקה;
4) פליטה - לשחרר גזי פליטה לאטמוספרה.

טורבינת קיטור

המרת אנרגית קיטור הטורבינה מתרחשת עקב השוני של לחצי אדי מים על הכניסה והיציאה.
כוח של טורבינות קיטור מודרניות להגיע 1300 MW.

כמה פרמטרים טכניים של MW טורבינת קיטור 1200

• לחץ אדים (טרי) - 23.5 מגפ"ס.
• טמפרטורת קיטור - 540 ° C.
• טורבינת זרימה Steam - 3600 מ '/ שעה.
• מהירות רוטור - 3000 rev / min.
• לחץ האדים של הקבל - 3.6 kPa.
• אורך טורבינה - 47.9 מ '.
• טורבינה המונית - מ 1900.

מכונת תרמי מורכבת מדחס אוויר, טורבינת combustor וגז. מבצע: adiabatically האוויר נשאב לתוך המדחס, כך הטמפרטורה שלו עולה על 200 מעלות צלזיוס או יותר. הבא, באוויר הדחוס נכנס לתא הבעירה שבו לחץ גבוה ספק דלקים נוזליים זמנית - מזוט ונפט photogen. במהלך הבעירה של דלק אוויר מחומם לטמפרטורה של 1500-2000 מעלות צלזיוס, זה מרחיב ומגדיל מהירותו. האוויר נע במהירות גבוהה, ואת תוצרי הבעירה מופנים אל הטורבינה. לאחר המעבר משלב להבי הטורבינה בעירה הבמה לתת האנרגיה הקינטית שלה. חלק מהאנרגיה שקיבלה הטורבינה הוא סיבוב מדחס; החלק הנותר הוא נצרך על הרוטור גנרטור, מטוסים הרוטור או כלי שיט ימיים, גלגל רכב.

הטורבינה יכולה לשמש, מלבד מטוס הסיבוב ואת גלגלי רכב או מדחפים של הספינה, כמו מנוע סילון. אוויר וגזי בעירה נפלטים במהירות גבוהה מן טורבינת הגז, ולכן דחף סילוני המתעורר תהליך זה עשוי לשמש לנוע מטוסים (מטוס) ומים (ספינה) ספינות, תחבורת רכבות. לדוגמה, מנועי טורבו פרופ יש מטוסים AN-24, AN-124 ( "רוסלן"), רו-225 ( "חלום"). לפיכך, "חלום" במהירות הטיסה של 700-850 ק"מ / h מסוגל לשאת 250 טון מטען על פני מרחק של כמעט 15,000 ק"מ. זהו מטוס התובלה הגדול בעולם.

בעיות סביבתיות של מכונות תרמית

השפעה רבה על האקלים הוא מתנאים אטמוספריים, במיוחד בנוכחות פחמן דו חמצני ואדי מים. לפיכך, את השינוי בתוכן הפחמן הדו-החמצן גורם לעלייה או ירידת אפקט החממה, שבו פחמן דו חמצני סופג חלק החום שמקרין לתוך שטח האדמה, עיכובים עולה אווירה ובכך טמפרטורת פני השטח ואת האווירה התחתונה. תופעת אפקט החממה ממלאת תפקיד מכריע קלת האקלים. בהיעדרו, הטמפרטורה הממוצעת של כדור הארץ לא 15+ מעלות צלזיוס ומטה על ידי 30-40 ° C.

בעולם קיימים כיום יותר מ -300 מיליון סוגים שונים של כלי רכב, אשר ליצור יותר ממחצית מכלל זיהום האוויר.

במהלך השנה 1 לאטמוספירה מן הכוח התרמיות משריפת דלק מוקצה 150 מיליון טונות של תחמוצות גופרית, 50 מיליון טונות של תחמוצת חנקן, 50 מיליון טונות של אפר, 200 מיליון טונות של פחמן חד-חמצני, 3 מיליון טונות Feona.

הרכב האטמוספרה כולל האוזון, המגנה את כל החיים על פני כדור הארץ מפני ההשפעות המזיקות של קרני אולטרה סגול. . בשנת 1982, ג'ון פארמן, החוקר הבריטי, התגלה מעל החור באוזון אנטארקטיקה - הפחתה זמנית של תוכן האוזון באטמוספירה. בשיאה של החור באוזון 7 באוקטובר 1987 בסכום של אוזון בו ירד ב 2 פעמים. חור באוזון כנראה נבע מגורמים אנתרופוגניים, כוללים שימוש בתעשייה של פריאונים המכיל כלור (CFC), אשר הורסים את שכבת האוזון. עם זאת, המחקר 1990. לא אישר את הדעה הזאת. סביר להניח, הופעתה של החור באוזון אינה קשורה לפעילות אנושית, והוא תהליך טבעי. בשנת 1992, החור באוזון התגלה מעל הקוטב הצפוני.

אם איסוף כל שכבת האוזון באטמוספירה ב פני כדור הארץ ואת לעבות אותו צפיפות אוויר בלחץ אטמוספרי ובטמפרטורה של 0 מעלות צלזיוס, אז עובי מגן האוזון הוא רק 2-3 מ"מ! זה מגן כולו.

קצת היסטוריה ...

• ביולי 1769. בשנת צבאי פרק מדון פריז להנדס NZ Kyunyo כדי "עגלת אש", אשר היה מצוידת במנוע קיטור שני צילינדרים, נסע כמה עשרות מטרים.
• 1885. קרל בנץ, מהנדס גרמני, בנה את הכוח ארבעה גלגלים בנזין הראשון המכונית Motorwagen של 0.66 כ"ס, הקיף 29 בינואר 1886 קיבל פטנט. מהירות מכונית הייתה 15-18 קילומטר / h.
• 1891. גוטליב דיימלר, ממציא גרמני, עגלה מיוצרת לנהוג כוח 2.9 כ"ס (4 horsepowers) של המכונית. המהירות המרבית של המכונית מגיעה 10 קילומטר / h, הקיבולת של הדגמים השונים היא 2 עד 5 טון.
• 1899. ק Zhenattsi הבלגית במכוניתו, "Jamet contant" ( "אף פעם לא מרוצה") בפעם הראשונה שחצתה את מהירות קו 100 הק"מ.

דוגמאות של בעיות לפתור

הבעיה 1. טמפרטורת מנוע חום מחמם האידיאלי הוא שווה 2000 K, ואת הטמפרטורה במקרר - 100 ° C. כדי לקבוע את היעילות.

פתרון:
הנוסחה הקובעת את היעילות של מנוע חום (מקסימום):

N = T ₁ T ₂ / T _1.
N = (2000K - 373K) / 2000 K = 0.81.

A: יעילות מנוע - 81%.

בעיה 2. מנוע חום 200 kJ של חום הושג על ידי בעירה של דלק, והועבר מצנן 120 חום kJ. מהי היעילות של המנוע?

פתרון:
הנוסחא לקביעת היעילות היא מהצורה:

n = Q1 - Q2 / Q1.
N = (2 × 10 ⁵ J - 1.2 x 10 ⁵ J) / 2 x 10 ⁵ J = 0.4.

ת: נצילות תרמית של המנוע - 40%.

בעיה 3. מהי היעילות של מנוע חום, כאשר זורם עובר מן התנור לאחר קבלת סכום של חום של 1.6 MJ ביצע פעולת 400 kJ? מהי כמות החום הועבר במקרר?

פתרון:
יעילות יכולה להיקבע על ידי הנוסחא

N = A / Q _1.

= N 0,4 · 10 ⁶ J / 1.6 · 10 ⁶ J = 0.25.

כמות מקרר חום המועבר במגע יכולה להיקבע על ידי הנוסחא

ש ₁ - A = ש _2.
ש ₂ = 1.6 · 10 ⁶ J - 0.4 · 10 ⁶ J = 1.2 · 10 ⁶ ג '
ת: מנוע החום יש יעילות של 25%; כמות החום מועבר במקרר - 1.2 · 10 ⁶ ג '