ماشین حرارتی: چرخه، عملیات، بهره وری. مشکلات محیطی ماشین های حرارتی. دستگاه حرارتی ایده آل چیست؟

نیاز به استفاده از انرژی مکانیکی در تولید منجر به ظهور دستگاه های حرارتی شد.

دستگاه های حرارتی

یک ماشین حرارتی (موتور حرارتی) یک دستگاه برای تبدیل انرژی داخلی به انرژی مکانیکی است.

هر دستگاه حرارتی دارای یک بخاری، یک بدن کار (گاز یا بخار) است که در نتیجه حرارت انجام کار (درایو شفت توربین، حرکت پیستون و غیره) و یخچال و فریزر. نمودار زیر طرح موتور حرارتی را نشان می دهد.

اصول عملکرد موتورهای حرارتی

هر دستگاه حرارتی توسط موتور اداره می شود. برای انجام این کار، او نیاز به اختلاف فشار در هر دو طرف پیستون موتور یا تیغه توربین دارد. این اختلاف در موتورهای حرارتی به شرح زیر است: دمای مایع کار با صدها یا هزار درجه در مقایسه با دمای محیط افزایش می یابد. در توربین های گاز و موتورهای احتراق داخلی (ICE)، درجه حرارت به دلیل این واقعیت است که سوخت در داخل موتور بوجود می آید. یخچال و فریزر می تواند یک جو یا یک وسیله خاص برای خنک کردن و خنک کردن بخار مورد استفاده باشد.

چرخه کارنوت

چرخه (روند دایره ای) - مجموعه ای از تغییرات در وضعیت گاز، به عنوان یک نتیجه آن را به حالت اولیه خود می رسد (می تواند کار را انجام دهد). در سال 1824، سدی کارنو، فیزیکدان فرانسوی، نشان داد چرخه موتور حرارتی (چرخه کارنوت)، که شامل دو فرآیند - ایزوترمال و آدیاباتیک است، سودمند است. شکل زیر نمودار چرخه کارنو را نشان می دهد: 1-2 و 3-4 - ایزوترم، 2-3 و 4-1 - آدیابات.

طبق قانون حفظ انرژی، کار ماشین های حرارتی انجام شده توسط موتور عبارتست از:

A = Q ₁ - Q ₂ ،

جایی که Q ₁ مقدار گرما است که از بخاری دریافت می شود، و Q ₂ مقدار گرما است که به یخچال و فریزر تحویل داده می شود.
کارایی یک موتور گرما نسبت کار A که توسط موتور انجام می شود، نسبت به مقدار گرما است که از بخاری دریافت می شود:

Η = A / Q = (Q ₁ - Q ₂ ) / Q ₁ = 1 - Q ₂ / Q ₁ .

کارنو در کار خود "اندیشه های نیروی محرکه آتش و ماشین هایی که می تواند این نیرو را توسعه دهد" (1824) کارنوت یک دستگاه حرارتی نامیده است "دستگاه حرارتی ایده آل با گاز ایده آل که یک مایع کار می کند". با توجه به قوانین ترمودینامیک، می توان کارایی (حداکثر ممکن) موتور حرارتی را با یک بخاری که دمای T ₁ و یک یخچال دار با دمای T _{2 را محاسبه می کند محاسبه کنید} . ماشین گرمایی کارنو دارای کارایی است:

Η _max = (T ₁ - T ₂ ) / T ₁ = 1 - T ₂ / T _1.

سدی کارنو ثابت کرد که هر دستگاه حرارتی واقعی است که با بخاری با دمای T1 کار می کند و یک یخچال و فریزر با درجه حرارت T ₂ قادر به کارایی نیست که از کارایی دستگاه حرارتی (ایده آل) فراتر رود.

موتور احتراق داخلی (ICE)

ICE چهار سکته شامل یک یا چند سیلندر، یک پیستون، یک مکانیزم میل لنگ، سوپاپ ورودی و خروجی و یک شمع است.

چرخه کار شامل چهار دوره است:

1) مکش - مخلوط قابل احتراق از طریق شیر به سیلندر وارد می شود.
2) فشرده سازی - هر دو سوپاپ بسته می شوند
3) سکته مغزی - احتراق انفجاری مخلوط قابل اشتعال؛
4) اگزوز - خروجی گازهای خروجی در جو.

توربین بخار

در توربین بخار، تبدیل انرژی به دلیل اختلاف فشار بخار آب در ورودی و خروجی اتفاق می افتد.
ظرفیت توربین های بخار جدید به 1300 مگاوات می رسد.

برخی از پارامترهای فنی یک توربین بخار 1200 مگاواتی است

• فشار بخار (تازه) 23.5 MPa است.
• دمای بخار 540 درجه سانتی گراد است.
• جریان بخار توربین 3600 تن در ساعت است.
• سرعت روتور 3000 دور در دقیقه است.
• فشار بخار در خازن 3.6 kPa است.
• طول توربین 47.9 متر است.
• جرم توربین 1900 تن است.

دستگاه حرارتی شامل یک کمپرسور هوا، یک اتاق احتراق و یک توربین گاز است. اصل عملیات: هوا به سمت کمپرسور سوار می شود، بنابراین دمای آن به 200 درجه سانتیگراد یا بیشتر می رسد. هوا فشرده بیشتر به محفظه احتراق وارد می شود، به طور همزمان، تحت فشار بالا، سوخت مایع وارد می شود - نفت سفید، فتوژن، روغن سوخت. هنگام سوختن سوخت، هوا به دمای 1500-2000 درجه سانتیگراد گرم می شود، گسترش می یابد و سرعت حرکت آن افزایش می یابد. هوا با سرعت بالا حرکت می کند و محصولات احتراق به توربین فرستاده می شوند. پس از گذر از مرحله به مرحله، محصولات احتراق، تیغه های توربین خود را انرژی جنبشی خود می دانند. بخشی از انرژی دریافت شده توسط توربین به چرخش کمپرسور می رسد؛ بخش باقیمانده برای چرخاندن یک روتور یک ژنراتور الکتریکی، یک پیچ هواپیما یا یک کشتی دریایی، چرخ های ماشین صرف می شود.

توربین گاز می تواند علاوه بر چرخش چرخ های خودرو و پروانه یا پیچ های قایق به عنوان یک موتور جت استفاده شود. محصولات هوا و احتراق با سرعت بالا از توربین گاز تخلیه می شوند، بنابراین راندمان واکنشی که در این فرایند بوجود می آید می تواند برای سفر هوایی (هواپیما) و کشتی های آب (کشتی)، حمل و نقل راه آهن استفاده شود. برای مثال، موتورهای توربوپراپ دارای An-24، An-124 (روسلان)، An-225 (رویای) هستند. بنابراین، "رویای" در سرعت پرواز 700-850 کیلومتر در ساعت قادر به حمل 250 تن بار در فاصله تقریبا 15،000 کیلومتر است. این بزرگترین هواپیمای حمل و نقل در جهان است.

مشکلات محیطی ماشین های حرارتی

تأثیر زیادی بر آب و هوا، وضعیت جو، به ویژه حضور دی اکسید کربن و بخار آب است. بنابراین تغییر در محتوای دی اکسید کربن منجر به تشدید یا تضعیف اثر گلخانه ای می شود که در آن دی اکسید کربن بخشی از گرما را که زمین به فضا می فرستد جذب می کند، جذب می کند و به این ترتیب دمای سطح و لایه های پایین تر جو را افزایش می دهد. پدیده اثر گلخانه ای نقش مهمی در کاهش آب و هوا دارد. در غیبت آن، دمای متوسط سیاره نمی تواند + 15 درجه سانتیگراد باشد، اما پایین تر از 30-40 درجه سانتیگراد است.

در حال حاضر در جهان بیش از 300 میلیون نوع خودرو وجود دارد که بیش از نیمی از آلودگی هوا را ایجاد می کند.

برای یک سال 150 میلیون تن اکسید گوگرد، 50 میلیون تن اکسید نیتروژن، 50 میلیون تن خاکستر، 200 میلیون تن مونوکسید کربن و 3 میلیون تن فونون در اثر احتراق سوخت به اتمسفر رسانده شده است.

ترکیب جو شامل ازن است، که از تمام اثرات مضر اشعه ماوراء بنفش محافظت می کند. در سال 1982، J. Farman، یک محقق انگلیسی، یک سوراخ ازن را بیش از قطب جنوب کشف کرد - کاهش موقت در اتمسفر در اتمسفر. در زمان حداکثر توسعه سوراخ ازون در 7 اکتبر 1987، مقدار ازن در آن 2 برابر کاهش یافت. سوراخ اوزون احتمالا به علت عوامل انسان شناسی، از جمله استفاده از کلاتون های حاوی کلر (فریون) در صنعت تولید می شود که لایه اوزون را از بین می برد. با این حال، مطالعات دهه 1990. این دیدگاه را تأیید نکرد. به احتمال زیاد ظاهر یک سوراخ ازن با فعالیت انسان مرتبط نیست و یک فرایند طبیعی است. در سال 1992، یک سوراخ ازن در سراسر قطب شمال کشف شد.

اگر تمام اتم جو ازن در یک لایه در نزدیکی سطح زمین جمع شده و در دمای معمولی جو و دمای 0 درجه سانتیگراد ضخیم شود، ضخامت سپر ازن فقط 2-3 میلیمتر خواهد بود! این کل سپر است.

کمی از تاریخ ...

• جولای 1769. در پارک Meudon در پاریس، مهندس نظامی N.J. Cunyo در "سبد آتشین"، که با یک موتور بخار دو سیلندر مجهز شده بود، چندین متر را راند.
• 1885 سال کارل بنز، مهندس آلمانی، نخستین موتور بنزینی چهار سیلندر سه چرخ MotorWagen را با ظرفیت 0.66 کیلو وات تولید کرد که در تاریخ 29 ژانویه 1886 یک حق ثبت اختراع دریافت کرد. سرعت خودرو به 15-18 کیلومتر / ساعت رسیده است.
• 1891 سال Gottlieb Daimler، مخترع آلمانی، یک واگن حمل و نقل با موتور 2.9 کیلو وات (4 اسب بخار) از خودرو تولید کرد. حداکثر سرعت خودرو به 10 کیلومتر / ساعت رسید، ظرفیت بارگذاری در مدل های مختلف از 2 تا 5 تن بود.
• 1899 سال بلژیک K. Zhenatzi در ماشین خود "Jame Contant" ("همیشه ناراضی") برای اولین بار از حد مجاز 100 کیلومتر جلوگیری کرد.

نمونه هایی از حل مشکل

مسئله 1. دمای بخاری یک دستگاه گرمایش ایده آل است که برابر با 2000 کیلو و دمای یخچال و فریزر آن 100 درجه سانتیگراد است. کارایی را تعیین کنید.

راه حل :
فرمول، که کارایی دستگاه حرارتی (حداکثر) را تعیین می کند:

¯ = T ₁ -T ₂ / T _1.
¯ = (2000К-373К) / 2000 К = 0.81.

پاسخ: راندمان موتور 81٪ است.

وظیفه 2 در موتور حرارتی هنگام سوختن سوخت، 200 کیلوگرم گرما دریافت شد و 120 کیلوگرم گرما به یخچال منتقل شد. کارایی موتور چیست؟

راه حل:
فرمول برای تعیین بهره وری به شرح زیر است:

¯ = Q1 - Q2 / Q1.
¯ = (2 · 10 ⁵ J - 1.2 · 10 ⁵ J) / 2 · 10 ⁵ J = 0.4.

پاسخ: بهره وری موتور حرارتی 40٪ است.

وظیفه 3. آیا کارایی موتور حرارتی، اگر بدن کار بعد از مقدار گرما از بخاری 1.6 مگاوات دریافت 400 کیلوگرم را انجام دهد؟ چقدر گرما به یخچال منتقل شد؟

راه حل:
کارایی را می توان با فرمول تعیین کرد

¯ = A / Q _1.

¯ = 0.4 · 10 ⁶ J / 1.6 · 10 ⁶ J = 0.25.

مقدار گرما منتقل شده به یخچال می تواند از فرمول تعیین شود

Q ₁ - A = Q _2.
Q ₂ = 1.6 · 10 ⁶ J-0.4 · 10 ⁶ J = 1.2 · 10 ⁶ J.
جواب: ماشین گرما کارآیی 25٪ دارد؛ مقدار گرما منتقل شده به یخچال و فریزر 1.2 × 10 ⁶ ژول است.