Топлинен двигател: един цикъл, ефективността на работата. Екологични проблеми на термични машини. Какво е това - идеален топлинен двигател?

Необходимостта от използване на механична енергия в производството е довело до появата на термични машини.

Единицата на топлинните машини

Загрява двигател (топлинен двигател), - устройство за превръщане на вътрешната енергия в механична енергия.

Всяко топлинен двигател има нагревател, работния флуид (газ или пара), който изпълнява работа чрез нагряване (в резултат на въртене на вала на турбината, се движи бутало, и т.н.) и хладилник. Фигурата по-долу показва схема на топлинен двигател.

Основи на стъпки от топлинните машини

Всеки функциониране топлинен двигател се дължи на двигателя. За да се свърши работата, че трябва да от двете страни на лопатките на бутални двигатели или турбини е различно налягане. Тази разлика се постига във всички топлинни двигатели, както следва: температурата работна течност се увеличава до стотици или хиляди градуса в сравнение с температурата на околната среда. В газовите турбини и двигатели с вътрешно горене (ДВГ) е повишаване на температурата се дължи на факта, че горивото се изгаря в двигателя. Хладилник може да действа атмосфера или специално устройство цел за охлаждане и кондензиране на отработено парата.

цикъл на Карно

Цикъл (цикличен процес) - набор от промени състояние газ, в резултат на което той се връща в първоначалното състояние (може да изпълнява работата). През 1824, френски физик Сади Карно показва, че е изгодно да цикъл топлинен двигател (цикъл на Карно), който се състои от два процеса - на изотермични и адиабатно. Фигурата по-долу показва графика на цикъл на Карно: 1-2 и 3-4 - изотерма, 2-3 и 4-1 - адиабатно.

В съответствие със закона за запазване на енергията работата на топлинните машини, които изпълнява на двигателя е:

А = Q ₁ - Q _2,

_1, където Q - количество топлина, която се получава от нагревателя и ₂ Q - количество топлина, която се изпраща в хладилника.
Ефикасността е съотношението на операция на топлинен двигател, който изпълнява двигателя на количеството топлина, което се получава от нагревателя:

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

В "Мисли за двигателната сила на огъня и за машини, които са в състояние да развие тази сила" (1824), описани по-Карно топлинен двигател под името "идеален топлинен двигател с идеален газ, който е работен орган." Благодарение на законите на термодинамиката може да се изчисли ефикасността (максимално възможно) с двигател нагревател топлина, която има температура _{Т1 и} хладилник с температура _Т2. Карно топлинната ефективност на двигателя е:

η _макс = (T ₁ - T ₂₎ / T ₁ = 1 - _Т2 / T _1.

Сади Карно доказано, че желаната топлинна реална машина, която работи с нагревател с температура _Т1 и кондензатора при температура _Т2, не е в състояние да имат ефективност, която ще надвишава ефективността на топлинния двигател (идеално).

Двигател с вътрешно горене (ДВГ)

Четиритактов двигател с вътрешно горене включва един или повече цилиндри, а буталните механизъм манивела, всмукателните, изпускателните клапани, искра.

работния цикъл се състои от четири удара:

1) за смучене - горими смес преминава през клапана на цилиндъра;
2) Компресиране - двата клапана затворени;
3) ход - експлозивен горенето на горивния смес;
4) Изпускателна - освободи отработените газове в атмосферата.

парна турбина

енергия превръщането на парна турбина се дължи на разликата на налягането на водните пари на входа и изхода.
Мощност на съвременните парни турбини достигне 1300 MW.

Някои технически параметри на парна турбина 1200 MW

• Налягане (чист) - 23,5 МРа.
• Парна температура - 540 ° С
• Парна турбина поток - 3600 m / час.
• скорост на ротора - 3000 об / мин.
• Налягането на парите в кондензатора - 3,6 кРа.
• турбина Дължина - 47.9 m.
• Маса турбина - 1900 m.

Термично машина се състои от въздушен компресор, горивна камера и газова турбина на. РАБОТА: адиабатно въздух се засмуква в компресора, така че температурата се повишава до 200 ° С или повече. След това, на сгъстения въздух навлиза в горивната камера, където високо налягане едновременно доставя течно гориво - керосин масло Photogen гориво. По време на горенето на горивото въздух нагрява до температура 1500-2000 ° С, тя се разширява и увеличава скоростта му. Въздухът се движи с висока скорост, и продуктите на горенето са насочени в турбината. След прехода от етап на етап горене лопатки на турбини даде своята кинетична енергия. Част от енергията, получена от турбината е въртенето на компресора; останалата част се консумира на ротора на генератора, ротор самолета или морски плавателен съд, колело на превозното средство.

Газовата турбина може да се използва, освен въртене равнина и колелата на превозното средство или витлата на кораба, като реактивен двигател. Въздушни и горивни газове се изхвърлят при висока скорост от газовата турбина, така тяга на струята, който възниква в този процес може да се използва да се движат въздухоплавателно средство (самолет) и вода (кораб) кораби, железопътния транспорт. Например, турбовитлови двигатели имат самолети Ан-24, Ан-124 ( "Руслан"), Ru-225 ( "Мечта"). По този начин, "Мечта", при скорост на полета на 700-850 км / ч може да носи 250 тона товари на разстояние от почти 15000 km. Това е най-големият транспортен самолет в света.

Екологични проблеми на термични машини

Голям въздействие върху климата е атмосферни условия, по-специално присъствието на въглероден диоксид и водна пара. Следователно, промяната на съдържанието на въглероден диоксид води до увеличаване или намаляване на парниковия ефект, в които въглероден диоксид абсорбира част от топлината, която се излъчва в пространството земята, забавяне на увеличенията на атмосферата и по този начин температурата на повърхността и долната атмосферата. Феноменът на парниковия ефект играе решаваща роля за смекчаване на изменението. В отсъствие на средната температура на планетата не би +15 ° С и по-ниска от 30-40 ° С

в света в момента има повече от 300 милиона различни видове превозни средства, които създават повече от половината от всички замърсяването на въздуха.

Над 1 година в атмосферата от топлинна енергия от изгарянето на гориво се разпределя 150 милиона тона на серни оксиди, 50 милиона тона на азот оксид, 50 милиона тона пепел, 200 милиона тона въглероден окис, 3 милиона тона Feona.

Съставът на атмосферата включва озон, който защитава целия живот на земята от вредните ефекти на ултравиолетовите лъчи. . През 1982 г. Джон Farman, Британският изследовател, е била открита през Антарктида озоновата дупка - временно намаляване на съдържанието на озон в атмосферата. В разгара на озоновата дупка над 07 октомври, 1987 в размер на озон в него е намалял в 2 пъти. Озонът отвор вероятно е резултат от антропогенни фактори, включително използване в производството на хлор-съдържащи фреони (CFC), които разрушават озоновия слой. Въпреки това, проучването 1990 година. не потвърждава това мнение. Най-вероятно появата на озоновата дупка не е свързано с човешката дейност, и е естествен процес. През 1992 г. озоновата дупка е била открита през Арктика.

Ако събиране на цялата атмосферно озоновия слой в земната повърхност и сгъстяване на плътността на въздуха при атмосферно налягане и температура от 0 ° С, след дебелина озон щит е само 2-3 mm! Това е цялата щит.

Малко история ...

• Юли 1769. В Париж Meudon парк военен инженер NZ Kyunyo към "огън вагон", който е оборудван с парен двигател двуцилиндров, управлявал няколко десетки метра.
• 1885. Карл Бенц, германски инженер, построен първият четириколесен бензин колата Motorwagen силата на 0,66 кВт, което 29-ти януари, 1886 получава патент. скорост на машината е 15-18 км / ч.
• 1891. Готлиб Даймлер, немски изобретател, произведени количка шофиране мощност 2,9 кВт (4 конски сили) на автомобила. Максималната скорост на превозното средство достигне 10 km / h, капацитетът на различните модели е от 2 до 5 тона.
• 1899. Белгийският К. Zhenattsi в колата му, "Jamet Contant" ( "никога доволни") за първи път пресича на скоростта на 100-километровата линия.

Примери за решаване на проблеми

Задача 1. Температурата на нагревател идеален топлина двигателя е равна на 2000 К и температура хладилник - 100 ° С За да се определи ефективността.

решение:
Формулата, която определя ефикасността на топлинен двигател (максимално):

п = ₁ T T ₂ / T _1.
N = (2000K - 373К) / 2000 К = 0,81.

ефективността на двигателя - 81%: а.

Проблем 2. Топлината на двигателя 200 кДж на топлина е получена чрез изгаряне на гориво, и прехвърлени на охладител 120 кДж топлина. Каква е ефективността на двигателя?

решение:
Формулата за определяне на ефективността е от вида:

N = Q1 - Q2 / Q1.
N = (2 х 10 ⁵ J - 1.2 х 10 ⁵ J) / 2 х 10 ⁵ J = 0.4.

A: топлинната ефективност на двигателя - 40%.

Задача 3. Каква е ефективността на топлинната двигателя, когато работният флуид от нагревателя, след като получи количеството топлина от 1,6 MJ извършва операция 400 кДж? Какво е количеството топлина се пренася в хладилника?

решение:
Ефикасността може да бъде определена чрез формулата

N = A / Q _1.

N = 0,4 · 10 ⁶ J / 1,6 · 10 ⁶ J = 0,25.

Предавани количество хладилник топлина може да се определя по формулата

Q ₁ - А = Q _2.
Q ₂ = 1,6 · 10 ⁶ J - 0,4 · 10 ⁶ J = 1,2 · 10 ⁶ J.
A: двигател топлина има ефективност от 25%; количество топлина прехвърля в хладилника - 1,2 · 10 ⁶ J.