موتور حرارتی: چرخه، کار، راندمان. مشکلات اکولوژیکی ماشین های حرارتی موتور حرارتی ایده آل چیست؟

2024 نویسنده: Angel Austin | [email protected]. آخرین اصلاح شده: 2023-12-17 05:24

نیاز به استفاده از انرژی مکانیکی در تولید منجر به پیدایش موتورهای حرارتی شد.

طراحی موتورهای حرارتی

موتور حرارتی (موتور حرارتی) - وسیله ای برای تبدیل انرژی داخلی به انرژی مکانیکی.

هر موتور حرارتی دارای یک بخاری، یک سیال در حال کار (گاز یا بخار) است که در نتیجه گرمایش، کار را انجام می دهد (شفت توربین را می چرخاند، پیستون را به حرکت در می آورد و غیره) و یک یخچال. شکل زیر نمودار یک موتور حرارتی را نشان می دهد.

مبانی موتورهای حرارتی

هر موتور حرارتی به لطف موتور کار می کند. برای انجام این کار، او نیاز به اختلاف فشار در دو طرف پیستون موتور یا پره های توربین دارد. این تفاوت در همه موتورهای حرارتی به این صورت حاصل می شود: دمای سیال کار صدها یا هزاران درجه در مقایسه با دمای محیط افزایش می یابد. در توربین های گاز و در موتورهای احتراق داخلی (ICE) به دلیل اینکه سوخت در داخل خود موتور می سوزد، دما افزایش می یابد.یخچال می تواند یک اتمسفر یا یک وسیله خاص برای تغلیظ و خنک کردن بخار خروجی باشد.

چرخ کارنو

چرخه (فرایند دایره ای) - مجموعه ای از تغییرات در حالت گاز که در نتیجه آن به حالت اولیه خود باز می گردد (می تواند کار کند). در سال 1824، فیزیکدان فرانسوی سادی کارنو نشان داد که چرخه موتور حرارتی (چرخه کارنو)، که از دو فرآیند همدما و آدیاباتیک تشکیل شده است، سودمند است. شکل زیر نمودار چرخه کارنو را نشان می دهد: 1-2 و 3-4 همدما، 2-3 و 4-1 آدیابات هستند.

طبق قانون پایستگی انرژی، کار موتورهای حرارتی که توسط موتور انجام می شود عبارتند از:

A=Q₁– Q₂،

که در آن Q₁ مقدار گرمای دریافتی از بخاری است و Q₂ مقدار گرمای تحویلی به یخچال است.بازده یک موتور حرارتی نسبت کار انجام شده توسط موتور به مقدار گرمای دریافتی از بخاری است:

η=A/Q=(Q₁– Q₂)/Q₁ =1 - Q₂/Q₁.

در کار "اندیشه هایی در مورد نیروی محرکه آتش و ماشین هایی که قادر به توسعه این نیرو هستند" (1824)، کارنو یک موتور حرارتی به نام "موتور حرارتی ایده آل با گاز ایده آل" را توصیف کرد. سیال کار." به لطف قوانین ترمودینامیک، محاسبه بازده (حداکثر ممکن) یک موتور حرارتی با بخاری که دارایدرجه حرارت T₁، و یخچال با دمای T₂. موتور حرارتی کارنو کارایی دارد:

η_max=(T₁ – T₂)/T 1_{=1 – T}2_/T1.

سعدی کارنو ثابت کرد که هر موتور حرارتی واقعی است که با بخاری با دمای T₁ و یخچال با دمای T_{2 کار می کند.} قادر به داشتن بازدهی فراتر از راندمان یک موتور حرارتی (ایده آل) نیست.

موتور احتراق داخلی (ICE)

یک موتور احتراق داخلی چهار زمانه از یک یا چند سیلندر، پیستون، مکانیزم میل لنگ، سوپاپ های ورودی و خروجی، شمع ها تشکیل شده است.

چرخه وظیفه از چهار چرخه تشکیل شده است:

1) مکش - مخلوط قابل احتراق از طریق دریچه وارد سیلندر می شود؛

2) فشرده سازی - هر دو دریچه بسته هستند؛

3) ضربه کار - احتراق انفجاری مخلوط قابل احتراق.

4) اگزوز - انتشار گازهای خروجی در اتمسفر.

توربین بخار

در توربین بخار به دلیل اختلاف فشار بخار آب در ورودی و خروجی انرژی تبدیل می شود.

ظرفیت توربین های بخار مدرن به ۱۳۰۰ مگاوات می رسد.

برخی پارامترهای فنی توربین بخار 1200 مگاواتی

• فشار بخار (تازه) - 23.5 مگاپاسکال.
• دمای بخار - 540 درجه سانتی گراد.
• مصرف بخار توربین - 3600 تن در ساعت.
• سرعت روتور - 3000 دور در دقیقه.
• فشار بخار در کندانسور 3.6 کیلو پاسکال است.
• طول توربین - 47.9 متر.
• وزن توربین - 1900 تن.

موتور حرارتی از یک کمپرسور هوا، یک محفظه احتراق و یک توربین گاز تشکیل شده است. اصل کار: هوا به صورت آدیاباتیک به داخل کمپرسور مکیده می شود، بنابراین دمای آن تا 200 درجه سانتیگراد یا بیشتر افزایش می یابد. سپس هوای فشرده وارد محفظه احتراق می شود، جایی که در همان زمان سوخت مایع - نفت سفید، فوتوژن، نفت کوره - تحت فشار بالا وارد می شود. هنگام سوختن سوخت، هوا تا دمای 1500-2000 درجه سانتیگراد گرم می شود، منبسط می شود و سرعت آن افزایش می یابد. هوا با سرعت زیاد حرکت می کند و محصولات احتراق به توربین فرستاده می شود. پس از انتقال از مرحله به مرحله، محصولات احتراق انرژی جنبشی خود را به پره های توربین می دهند. بخشی از انرژی دریافتی توسط توربین به چرخش کمپرسور می رود. بقیه صرف چرخش روتور ژنراتور الکتریکی، پروانه هواپیما یا کشتی دریایی، چرخ‌های ماشین می‌شود.

می توان از توربین گاز، علاوه بر چرخاندن چرخ های خودرو و پروانه های هواپیما یا کشتی، به عنوان موتور جت استفاده کرد. هوا و محصولات احتراق با سرعت زیاد از توربین گاز خارج می شوند، بنابراین رانش جت که در این فرآیند رخ می دهد می تواند برای حرکت کشتی های هوایی (هواپیما) و آبی (کشتی) و حمل و نقل ریلی استفاده شود. به عنوان مثال، هواپیماهای An-24، An-124 ("روسلان")، An-225 ("رویایی") دارای موتورهای توربوپراپ هستند. بنابراین ، "رویا" با سرعت پرواز 700-850 کیلومتر در ساعت قادر است 250 تن محموله را در مسافتی تقریباً 15000 کیلومتری حمل کند. این بزرگترین هواپیمای ترابری در جهان است.

مشکلات زیست محیطی موتورهای حرارتی

تاثیر زیادی بر آب و هوا داردوضعیت جو، به ویژه وجود دی اکسید کربن و بخار آب. بنابراین، تغییر در محتوای دی اکسید کربن منجر به افزایش یا کاهش در اثر گلخانه ای می شود که در آن دی اکسید کربن تا حدی گرمایی را که زمین به فضا می تاباند جذب می کند، آن را در جو حفظ می کند و در نتیجه دمای سطح را افزایش می دهد. لایه های پایین اتمسفر پدیده اثر گلخانه ای نقش تعیین کننده ای در کاهش آب و هوا دارد. در غیاب آن، میانگین دمای سیاره +15 درجه سانتیگراد نخواهد بود، اما 30-40 درجه سانتیگراد کمتر می شود.

اکنون بیش از 300 میلیون نوع خودرو در جهان وجود دارد که بیش از نیمی از آلودگی هوا را ایجاد می کنند.

به مدت یک سال، ۱۵۰ میلیون تن اکسید گوگرد، ۵۰ میلیون تن اکسید نیتروژن، ۵۰ میلیون تن خاکستر، ۲۰۰ میلیون تن مونوکسید کربن، ۳ میلیون تن فئون از نیروگاه های حرارتی در جو منتشر می شود. در نتیجه احتراق سوخت.

جو حاوی ازن است که از تمام زندگی روی زمین در برابر اثرات مضر اشعه ماوراء بنفش محافظت می کند. در سال 1982، J. Farman، محقق انگلیسی، یک سوراخ ازن را بر فراز قطب جنوب کشف کرد - کاهش موقتی در محتوای ازن در جو. در زمان حداکثر توسعه سوراخ ازن در 7 اکتبر 1987، میزان ازن موجود در آن 2 برابر کاهش یافت. سوراخ اوزون احتمالاً در نتیجه عوامل انسانی ایجاد شده است، از جمله استفاده در صنعت فریون های حاوی کلر (فریون ها) که لایه اوزون را تخریب می کنند. با این حال، تحقیقات در دهه 1990 این دیدگاه را تایید نکرد. به احتمال زیاد سوراخ ازنبا فعالیت انسان مرتبط نیست و یک فرآیند طبیعی است. در سال 1992، یک سوراخ ازن نیز بر فراز قطب شمال کشف شد.

اگر تمام ازن اتمسفر در لایه ای نزدیک به سطح زمین جمع آوری شود و در فشار معمولی جو و دمای 0 درجه سانتیگراد به چگالی هوا ضخیم شود، ضخامت سپر ازن تنها 2-3 خواهد بود. میلی متر این تمام سپر است.

کمی از تاریخ…

• ژوئیه ۱۷۶۹. مهندس نظامی N. J. Kunyo چندین ده متر را در پارک Meudon در پاریس با یک "گاری آتش نشانی" که مجهز به یک موتور بخار دو سیلندر بود، طی کرد.
• 1885. کارل بنز، مهندس آلمانی، اولین خودروی بنزینی چهار زمانه سه چرخ موتورواگن را با قدرت 0.66 کیلووات ساخت که در 29 ژانویه 1886 حق امتیاز آن را دریافت کرد. سرعت ماشین به 15-18 کیلومتر در ساعت رسید.
• 1891. گوتلیب دایملر، مخترع آلمانی، یک کامیون باری با موتور 2.9 کیلووات (4 اسب بخار) از یک خودروی سواری ساخت. حداکثر سرعت ماشین به 10 کیلومتر در ساعت رسید، ظرفیت حمل در مدل های مختلف بین 2 تا 5 تن بود.
• 1899. C. Zhenatzi بلژیکی برای اولین بار با ماشین خود "James Contint" ("همیشه ناراضی") از سرعت مجاز 100 کیلومتر عبور کرد.

نمونه هایی از حل مسئله

مسئله 1. یک موتور حرارتی ایده آل دمای بخاری 2000 کلوین و دمای یخچال 100 درجه سانتی گراد دارد. کارایی را تعیین کنید.

راه حل:

فرمول تعیین کننده بازده موتور حرارتی (حداکثر):

ŋ=T₁-T₂/T_1.

ŋ=(2000K - 373K) / 2000 K=0.81.

پاسخ: راندمان موتور 81% است.

وظیفه 2. 200 کیلوژول گرما در موتور حرارتی در طی احتراق سوخت دریافت شد و 120 کیلوژول گرما به یخچال منتقل شد. راندمان موتور چقدر است؟

راه حل:

فرمول تعیین بازده به شرح زیر است:

ŋ=Q1 - Q2 / Q1.

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

جواب: راندمان موتور حرارتی 40% است.

مسئله 3. اگر سیال کار پس از دریافت 1.6 مگا ژول گرما از هیتر، 400 را انجام دهد، بازده موتور حرارتی چقدر است. کیلوژول کار؟ چقدر حرارت به یخچال منتقل شد؟

راه حل:

کارایی را می توان با فرمول

تعیین کرد

ŋ=A / Q_1.

ŋ=0.4 10⁶ J / 1.6 10⁶ J=0.25.

میزان گرمای منتقل شده به یخچال را می توان با فرمول

تعیین کرد.

Q₁ - A=Q_2.

Q₂=1.6 10⁶ J - 0.4 10⁶ J=1.2 10^6J. جواب: راندمان موتور حرارتی 25 درصد است. مقدار حرارت منتقل شده به یخچال 1.2 10

6 ^J. است