عملکرد بسیاری از انواع ماشین ها با شاخص مهمی مانند کارایی یک موتور حرارتی مشخص می شود. هر سال، مهندسان تلاش می کنند تا تجهیزات پیشرفته تری ایجاد کنند که با هزینه سوخت کمتر، حداکثر نتیجه را از استفاده از آن به همراه داشته باشد.
دستگاه موتور حرارتی
قبل از درک اینکه کارایی چیست، لازم است بدانیم این مکانیسم چگونه کار می کند. بدون دانستن اصول عمل آن، پی بردن به ماهیت این شاخص غیرممکن است. موتور حرارتی وسیله ای است که با استفاده از انرژی داخلی کار می کند. هر موتور حرارتی که انرژی حرارتی را به انرژی مکانیکی تبدیل می کند از انبساط حرارتی مواد با افزایش دما استفاده می کند. در موتورهای حالت جامد نه تنها می توان حجم ماده را تغییر داد، بلکه شکل بدنه را نیز تغییر داد. عملکرد چنین موتوری تابع قوانین ترمودینامیک است.
اصل عملیاتی
برای درک نحوه عملکرد یک موتور حرارتی، لازم است اصول اولیه را در نظر بگیریدطرح های او برای کارکرد دستگاه به دو بدنه گرم (بخاری) و سرد (یخچال، کولر) نیاز است. اصل عملکرد موتورهای حرارتی (بازده موتورهای حرارتی) به نوع آنها بستگی دارد. غالباً کندانسور بخار به عنوان یک یخچال عمل می کند و هر نوع سوختی که در کوره می سوزد به عنوان یک بخاری عمل می کند. کارایی یک موتور حرارتی ایده آل با فرمول زیر بدست می آید:
کارایی=(Theating - Cooling)/ Theating. x 100%.
در عین حال، بازده یک موتور واقعی هرگز نمی تواند از مقدار بدست آمده طبق این فرمول بیشتر شود. همچنین این شاخص هرگز از مقدار فوق فراتر نخواهد رفت. برای افزایش راندمان، اغلب دمای بخاری را افزایش داده و دمای یخچال را کاهش دهید. هر دوی این فرآیندها با شرایط عملیاتی واقعی تجهیزات محدود خواهند شد.
بازده موتور حرارتی (فرمول)
در طول کار یک موتور حرارتی، کار انجام می شود، زیرا گاز شروع به از دست دادن انرژی می کند و تا دمای خاصی خنک می شود. دومی معمولاً چند درجه بالاتر از جو اطراف است. این دمای یخچال است. چنین دستگاه ویژه ای برای خنک سازی با تراکم بعدی بخار خروجی طراحی شده است. در جایی که کندانسور وجود دارد، دمای یخچال گاهی کمتر از دمای محیط است.
در یک موتور حرارتی، بدن وقتی گرم و منبسط می شود، قادر نیست تمام انرژی داخلی خود را برای انجام کار بدهد. مقداری از گرما به همراه گازهای خروجی یا بخار به یخچال منتقل می شود. این قسمتانرژی درونی حرارتی به طور اجتناب ناپذیری از بین می رود. در طول احتراق سوخت، بدنه کار مقدار مشخصی گرما Q1 را از بخاری دریافت می کند. در همان زمان، همچنان کار A را انجام می دهد، که طی آن بخشی از انرژی حرارتی را به یخچال منتقل می کند: Q2<Q1.
EFFICIENCY کارایی موتور را در زمینه تبدیل و انتقال انرژی مشخص می کند. این شاخص اغلب به صورت درصد اندازه گیری می شود. فرمول کارایی:
ηA/Qx100%, که در آن Q انرژی مصرف شده است، A کار مفید است.
بر اساس قانون بقای انرژی، می توان نتیجه گرفت که بازده همیشه کمتر از یک خواهد بود. به عبارت دیگر، هرگز کار مفیدتر از انرژی صرف شده برای آن وجود نخواهد داشت.
راندمان موتور نسبت کار مفید به انرژی تامین شده توسط بخاری است. می توان آن را به صورت فرمول زیر نشان داد:
η=(Q1-Q2)/ Q1، جایی که Q 1 - گرمای دریافتی از بخاری، و Q2 - به یخچال داده می شود.
کارکرد موتور حرارتی
کار انجام شده توسط یک موتور حرارتی با استفاده از فرمول زیر محاسبه می شود:
A=|QH| - |QX|، جایی که A کار است، QH مقدار گرمای دریافتی از بخاری است، QX - مقدار حرارت داده شده به کولر.
بازده موتور حرارتی (فرمول):
|QH| - |QX|)/|QH|=1 - |QX|/|QH|
برابر است با نسبت کار انجام شده توسط موتور به مقدارگرما. بخشی از انرژی حرارتی در طی این انتقال از بین می رود.
موتور کارنو
حداکثر بازده یک موتور حرارتی در دستگاه کارنو ذکر شده است. این به این دلیل است که در این سیستم فقط به دمای مطلق بخاری (Тн) و کولر (Тх) بستگی دارد. راندمان یک موتور حرارتی که طبق چرخه کارنو کار می کند با فرمول زیر تعیین می شود:
(Тн - Тх)/ Тн=- Тх - Тн.
قوانین ترمودینامیک به ما اجازه می دهد حداکثر بازده ممکن را محاسبه کنیم. برای اولین بار این شاخص توسط دانشمند و مهندس فرانسوی سادی کارنو محاسبه شد. او یک موتور حرارتی اختراع کرد که با گاز ایده آل کار می کرد. بر روی چرخه 2 ایزوترم و 2 آدیابات کار می کند. اصل عملکرد آن بسیار ساده است: یک تماس بخاری با گاز به ظرف آورده می شود، در نتیجه سیال کار به صورت همدما منبسط می شود. در عین حال کار می کند و مقدار مشخصی گرما را دریافت می کند. پس از اینکه ظرف عایق حرارتی شد. با وجود این، گاز همچنان به گسترش خود ادامه می دهد، اما در حال حاضر به صورت آدیاباتیک (بدون تبادل حرارت با محیط). در این زمان دمای آن تا یخچال کاهش می یابد. در این لحظه گاز با یخچال در تماس است که در نتیجه در هنگام فشرده سازی ایزومتریک مقدار مشخصی گرما به آن می دهد. سپس ظرف دوباره عایق حرارتی می شود. در این حالت، گاز به صورت آدیاباتیک به حجم و حالت اولیه خود فشرده می شود.
انواع
در زمان ما، انواع زیادی از موتورهای حرارتی وجود دارد که بر اساس اصول مختلف و با سوخت های مختلف کار می کنند. همه آنها کارایی خاص خود را دارند. این شاملموارد زیر:
• موتور احتراق داخلی (پیستون)، که مکانیزمی است که در آن بخشی از انرژی شیمیایی سوخت در حال سوختن به انرژی مکانیکی تبدیل می شود. چنین وسایلی می توانند گاز و مایع باشند. موتورهای 2 زمانه و 4 زمانه وجود دارد. آنها ممکن است یک چرخه کار مداوم داشته باشند. با توجه به روش تهیه مخلوط سوخت، چنین موتورهایی کاربراتوری (با تشکیل مخلوط خارجی) و دیزلی (با داخلی) هستند. با توجه به انواع مبدل انرژی، آنها به پیستونی، جت، توربین، ترکیبی تقسیم می شوند. راندمان چنین ماشین هایی از 0.5 تجاوز نمی کند.
• موتور استرلینگ - دستگاهی که در آن سیال کار در فضای بسته قرار دارد. این یک نوع موتور احتراق خارجی است. اصل عملکرد آن بر اساس سرد کردن/گرمایش دوره ای بدن با تولید انرژی به دلیل تغییر حجم آن است. این یکی از کارآمدترین موتورها است.
• موتور توربین (دوار) با احتراق خارجی سوخت. چنین تاسیساتی اغلب در نیروگاه های حرارتی یافت می شود.
• توربین (دوار) ICE در نیروگاه های حرارتی در حالت پیک استفاده می شود. به اندازه دیگران رایج نیست.
• یک موتور توربوپراپ مقداری از نیروی رانش را ناشی از ملخ ایجاد می کند. بقیه از گازهای خروجی ناشی می شود. طراحی آن یک موتور دوار (توربین گاز) است که روی شفت آن یک ملخ نصب شده است.
سایر انواع موتورهای حرارتی
• موتورهای موشک، توربوجت و جت که در اثر پس زدن رانش می شوندگازهای خروجی.
• موتورهای حالت جامد از جامدات به عنوان سوخت استفاده می کنند. هنگام کار، حجم آن نیست که تغییر می کند، بلکه شکل آن است. عملکرد تجهیزات از اختلاف دمای بسیار کم استفاده می کند.
چگونه بهره وری را افزایش دهیم
آیا می توان بازده موتور حرارتی را افزایش داد؟ پاسخ را باید در ترمودینامیک جستجو کرد. تحولات متقابل انواع مختلف انرژی را مطالعه می کند. ثابت شده است که تبدیل تمام انرژی حرارتی موجود به الکتریکی، مکانیکی و غیره غیرممکن است و در عین حال تبدیل آنها به انرژی حرارتی بدون هیچ محدودیتی صورت می گیرد. این امر به دلیل این واقعیت امکان پذیر است که ماهیت انرژی حرارتی مبتنی بر حرکت بی نظم (آشوب) ذرات است.
هر چه بدن بیشتر گرم شود، مولکول های تشکیل دهنده آن سریعتر حرکت می کنند. حرکت ذرات حتی نامنظم تر خواهد شد. در کنار این، همه می دانند که نظم می تواند به راحتی به هرج و مرج تبدیل شود، که سفارش دادن آن بسیار دشوار است.
