מכונה תרמית: מחזור, תפעול, יעילות. בעיות סביבתיות של מכונות תרמיות. מהו מכונה תרמית אידיאלי?
הצורך בשימוש באנרגיה מכנית בייצור הוביל להופעת מכונות תרמיות.
התקן של מכונות תרמיות
מכונה תרמית (מנוע תרמי) - מכשיר להמרת אנרגיה פנימית לאנרגיה מכנית.
כל מכונה תרמית יש תנור, עובדגוף (גז או קיטור), אשר כתוצאה של חימום מבצע עבודה (כונני טורבינה פיר, מזיז את הבוכנה וכן הלאה) ואת המקרר. האיור להלן מציג את ערכת המנוע החום.
יסודות הפעולה של מנועי חום
כל מכונה תרמית תודותמנוע. כדי לעשות את העבודה, הוא צריך להיות הבדל לחץ על שני הצדדים של מנוע בוכנה או להבי הטורבינה. הבדל זה מושג בכל המנועים התרמיים כדלקמן: הטמפרטורה של נוזל העבודה עולה במאות או באלפי מעלות בהשוואה לטמפרטורת הסביבה. ב טורבינות גז ומנועים בעירה פנימית (ICE), הטמפרטורה עולה בשל העובדה כי הדלק נשרף בתוך המנוע עצמו. המקרר יכול להיות אווירה או מכשיר ייעודי לצורך עיבוי וקירור של אדים משומשים.
מחזור קרנו
מחזור (תהליך מעגלי) - סדרה של שינוייםאת מצב הגז, וכתוצאה מכך הוא חוזר למצבו המקורי (הוא יכול לעשות עבודה). בשנת 1824, הפיזיקאי הצרפתי סאדי קרנו הראה כי יש יתרון למחזור מנוע חום (מחזור קרנו), אשר מורכב משני תהליכים - isothermal ו adiabatic. האיור שלהלן מציג גרף של מחזור קרנו: 1-2 ו 3-4 - איזותרמות, 2-3 ו 4-1 - adiabats.
בהתאם לחוק שימור האנרגיה, העבודה של מכונות תרמיות המבוצעות על ידי המנוע היא:
A = Q1- ש2,
שם ש1 - כמות החום המתקבלת מהתנור, ו- Q2 - כמות החום שניתן למקרר.
היעילות של מנוע חום היא היחס בין העבודה A, המבוצעת על ידי המנוע, לכמות החום המתקבלת מהתנור:
η = A / Q = (Q1- ש2) / ש1 = 1 - Q2/ Q1.
בעבודתו "מחשבות על הכוח המניע של אש על מכונות,"(1824) קרנו תיאר מכונה תרמית המכונה" מכונה תרמית אידיאלי עם גז אידיאלי כי הוא עובד נוזל. " הודות לחוקי התרמודינמיקה, ניתן לחשב את היעילות (הגבוהה ביותר) של מנוע חום עם תנור בעל טמפרטורה T1, ומקרר עם טמפרטורה T2. מכונה תרמית קרנו יש יעילות:
ηמקסימום = (T1 - T2) / T1 = 1 - T2/ T1.
סאדי קרנו הוכיח כי כל מכונה תרמית הוא אמיתי, אשר עובד עם תנור עם טמפרטורה T1 ומקרר עם טמפרטורה T2 הוא לא מסוגל להיות יעילות יעלה על היעילות של המכונה תרמית (אידיאלי).
מנוע הבעירה הפנימית (ICE)
השבב בעל ארבע פעימות מורכב ממספר צילינדרים, בוכנה, מנגנון ארכובה, שסתום פליטה ושסתום פליטה ונר.
מחזור החובה מורכב מארבע מחזורים:
1) יניקה - תערובת דליקה נכנס צילינדר דרך השסתום;
2) דחיסה - שני שסתומים סגורים;
3) שבץ עובד - בעירה מתנפצת של תערובת דליקה;
4) פליטה - פליטה של גזי פליטה לאוויר.
טורבינת קיטור
ב טורבינת אדים, המרה אנרגיה מתרחשת עקב ההבדל בלחץ של אדי מים על מפרצון מוצא.
היכולות של טורבינות קיטור מודרניות להגיע 1300 MW.
כמה פרמטרים טכניים של טורבינת קיטור 1200 MW
- לחץ אדים (טרי) הוא 23.5 מגפ"ס.
- טמפרטורת הקיטור היא 540 ° C.
- קצב זרימת הקיטור של הטורבינה הוא 3600 t / h.
- מהירות הרוטור היא 3000 סל"ד.
- לחץ אדי בקבל הוא 3.6 kPa.
- אורכו של הטורבינה הוא 47.9 מ '.
- המסה של הטורבינה היא 1900 טון.
המכונה התרמית מורכבת מאווירמדחס, תא בעירה טורבינת גז. עקרון הפעולה: האוויר נשאב אדיאבטי לתוך המדחס, ולכן הטמפרטורה שלו עולה ל 200 מעלות צלזיוס או יותר. יתר על כן, אוויר דחוס נכנס לתא הבעירה, שם בו זמנית, תחת לחץ גבוה, דלק נוזלי נכנס - נפט, פוטוגן, דלק. כאשר הדלק נשרף, האוויר מחומם לטמפרטורה של 1500-2000 מעלות צלזיוס, הוא מתרחב ומהירותו עולה. האוויר נע במהירות גבוהה, ומוצרי הבעירה נשלחים לטורבינה. לאחר המעבר מהבמה לשלב, מוצרי הבעירה נותנים להבי הטורבינות את האנרגיה הקינטית שלהם. חלק מן האנרגיה שקיבלה הטורבינה הולך סיבוב של המדחס; את החלק הנותר הוא בילה על סיבוב של הרוטור של גנרטור חשמלי, מדחף של מטוס או ספינת ים, ואת הגלגלים של מכונית.
טורבינת גז ניתן להשתמש, למעטסיבוב של גלגלי המכונית ודחפי מטוס או ספינת מנוע, כמנוע סילון. מוצרי אויר ו בעירה משוחררים במהירות גבוהה מטורבינת הגז, כך שהדחף הריאקטיבי העולה בתהליך זה יכול לשמש לנסיעת כלי טיס (מטוסים) ומים (ספינות), הובלות רכבת. לדוגמה, מנועי טורבינות יש AN-24, An-124 (Ruslan), An-225 (חלום). לפיכך, "חלום" במהירות הטיסה של 700-850 קמ / שעה מסוגל להעביר 250 טון של מטען במרחק של כמעט 15,000 ק"מ. זהו מטוס ההובלה הגדול ביותר בעולם.
בעיות סביבתיות של מכונות תרמיות
השפעה גדולה על האקלים היא המדינההאווירה, בפרט נוכחות של דו תחמוצת הפחמן ואדי מים. לפיכך, שינוי בתכולת הפחמן הדו חמצני מוביל להגברת או להחלשת אפקט החממה, שבו דו תחמוצת הפחמן סופגת חלקית את החום שפולט כדור הארץ לחלל, מעכבת אותו באטמוספירה ובכך מגדילה את טמפרטורת פני השטח ואת השכבות התחתונות של האטמוספירה. התופעה של אפקט החממה משחקת תפקיד מכריע בהפחתת האקלים. בהיעדרו, הטמפרטורה הממוצעת של הפלנטה לא תהיה + 15 ° C, אבל נמוך ב 30-40 ° C.
עכשיו בעולם יש יותר מ -300 מיליון סוגים שונים של מכוניות, אשר יוצרים יותר ממחצית זיהום האוויר.
הרכב האווירה כולל אוזון, אשר מגןכל היצורים החיים על פני האדמה מן ההשפעות המזיקות של קרניים אולטרה סגולות. בשנת 1982, ג 'יי פארמן, חוקר אנגלי, גילו חור באוזון מעל אנטארקטיקה - ירידה זמנית באוזון באטמוספרה. בזמן הפיתוח המרבי של חור האוזון ב -7 באוקטובר 1987 כמות האוזון בו ירדה פי 2. החור באוזון מקורו כנראה כתוצאה מגורמים אנתרופוגניים, כולל שימוש בכלורנים המכילים כלור (פריונים) בתעשייה, אשר הורסים את שכבת האוזון. עם זאת, מחקרים של 1990. לא אישר את נקודת המבט הזאת. סביר להניח שהופעתו של חור באוזון אינה קשורה לפעילות אנושית והיא תהליך טבעי. בשנת 1992, ועל הקוטב הצפוני נפתח חור באוזון.
אם כל האוזון האטמוספרי נאסף בשכבה שלאת פני השטח של כדור הארץ ומעבים אותו לצפיפות האוויר בלחץ אטמוספרי רגיל וטמפרטורה 0 ° C, ולאחר מכן את עובי מגן האוזון יהיה רק 2-3 מ"מ! זה כל המגן.
קצת היסטוריה ...
- יולי 1769. בפארק מיודון בפאריס נסע המהנדס הצבאי נ 'קוניו על "עגלה לוהטת", אשר הייתה מצוידת במנוע קיטור בעל שני צילינדרים, כמה עשרות מטרים.
- 1885 שנה. קארל בנץ, מהנדס גרמני, בנה את הבנזין הראשון של שלוש פעימות של שלושה גלגלים של מכונית מוטורית של Motorwagen עם קיבולת של 0.66 כ"ס, אשר ב 29 בינואר 1886 קיבל פטנט. מהירות המכונית הגיעה ל 15-18 קמ"ש.
- קה z גוטליב דיימלר, הממציא הגרמני, הוציא עגלת משא עם מנוע של 2.9 קילוואט (4 כוחות סוס) מהמכונית. המהירות המרבית של המכונית הגיעה ל -10 קמ"ש, כושר הנשיאה במודלים שונים היה בין 2 ל -5 טון.
- 1899 שנה. הבלגי ק 'זנאטזי במכוניתו "Jame Contant" ("מרוצה תמיד") בפעם הראשונה התגבר על מהירות של 100 ק"מ מהירות.
דוגמאות לפתרון בעיות
משימה 1. הטמפרטורה של החימום היא מכונת חום אידיאלי שווה 2000 K, ואת הטמפרטורה של המקרר הוא 100 מעלות צלזיוס. לקבוע את היעילות.
הפתרוןYou
הנוסחה, הקובעת את היעילות של המכונה התרמית (מקסימום):
ŋ = T1-T2/ T1.
ŋ = (2000-373k) / 2000 ק = 0.81.
תשובה: יעילות המנוע היא 81%.
משימה 2. במנוע חום, 200 kJ של חום התקבל הבעירה של דלק, ו 120 kJ של חום הועבר אל המקרר. מהי יעילות המנוע?
פתרון:
הנוסחה לקביעת היעילות היא כדלקמן:
ŋ = Q1 - Q2 / Q1.
ŋ = (2 · 10)5 J - 1,2 105 J) / 2 · 105 J = 0.4.
תשובה: יעילות מנוע תרמי הוא 40%.
משימה 3. מהי היעילות של מנוע חום, אם המדיום עובד לאחר כמות החום של 1.6 MJ מן החימום ביצע 400 kJ? כמה חום הועבר למקרר?
פתרון:
יעילות ניתן לקבוע על ידי הנוסחה
ŋ = A / Q1.
ŋ = 0,4 · 106 J / 1,6 · 106 J = 0.25.
כמות החום המועבר למקרר יכולה להיקבע מנוסחה
ש1 - A = Q2.
ש2 3,000 3,0006 J = 0.4 · 106 J = 1.2 · 106 J.
תשובה: למכונה תרמית יש יעילות של 25%; כמות החום המועברת למקרר היא 1.2 - 106 J.
