Rad mnogih vrsta strojeva karakterizira tako važan pokazatelj kao što je učinkovitost toplinskog motora. Svake godine inženjeri nastoje stvoriti napredniju opremu koja bi uz niže troškove goriva dala maksimalni rezultat svojom uporabom.
Uređaj toplinskog motora
Prije nego shvatimo što je učinkovitost, potrebno je razumjeti kako ovaj mehanizam funkcionira. Bez poznavanja principa njegovog djelovanja nemoguće je saznati bit ovog pokazatelja. Toplinski stroj je uređaj koji radi koristeći unutarnju energiju. Svaki toplinski stroj koji pretvara toplinsku energiju u mehaničku energiju koristi toplinsko širenje tvari s povećanjem temperature. U čvrstim motorima moguće je mijenjati ne samo volumen materije, već i oblik tijela. Rad takvog motora podliježe zakonima termodinamike.
Načelo rada
Da bismo razumjeli kako radi toplinski stroj, potrebno je razmotriti osnovenjegove nacrte. Za rad uređaja potrebna su dva tijela: toplo (grijač) i hladno (hladnjak, hladnjak). Princip rada toplinskih motora (učinkovitost toplinskih motora) ovisi o njihovoj vrsti. Često kondenzator pare djeluje kao hladnjak, a bilo koja vrsta goriva koja gori u peći djeluje kao grijač. Učinkovitost idealnog toplinskog motora nalazi se sljedećom formulom:
Učinkovitost=(Kazovanje - hlađenje)/ Kazalište. x 100%.
U isto vrijeme, učinkovitost pravog motora nikada ne može premašiti vrijednost dobivenu prema ovoj formuli. Također, ovaj pokazatelj nikada neće premašiti gornju vrijednost. Za povećanje učinkovitosti najčešće povećavajte temperaturu grijača i smanjite temperaturu hladnjaka. Oba ova procesa bit će ograničena stvarnim radnim uvjetima opreme.
Učinkovitost toplinskog motora (formula)
Tijekom rada toplinskog stroja rad se obavlja, jer plin počinje gubiti energiju i hladi se na određenu temperaturu. Potonji je obično nekoliko stupnjeva iznad okolne atmosfere. Ovo je temperatura hladnjaka. Takav poseban uređaj dizajniran je za hlađenje s naknadnom kondenzacijom ispušne pare. Gdje su kondenzatori prisutni, temperatura hladnjaka je ponekad niža od temperature okoline.
U toplinskom stroju, tijelo, kada se zagrije i proširi, nije u stanju dati svu svoju unutarnju energiju za rad. Dio topline će se prenijeti u hladnjak zajedno s ispušnim plinovima ili parom. Ovaj diotoplinska unutarnja energija se neizbježno gubi. Tijekom izgaranja goriva, radno tijelo prima određenu količinu topline Q1 od grijača. Istovremeno, još uvijek obavlja posao A, tijekom kojeg dio toplinske energije prenosi u hladnjak: Q2<Q1.
EFFICIENCY karakterizira učinkovitost motora u području pretvorbe i prijenosa energije. Ovaj se pokazatelj često mjeri kao postotak. Formula učinkovitosti:
ηA/Qx100%, gdje je Q potrošena energija, A je koristan rad.
Na temelju zakona održanja energije možemo zaključiti da će učinkovitost uvijek biti manja od jedan. Drugim riječima, nikada neće biti korisnijeg posla od energije utrošene na to.
Učinkovitost motora je omjer korisnog rada i energije koju isporučuje grijač. Može se predstaviti kao sljedeća formula:
η=(Q1-Q2)/ Q1, gdje je Q 1 - toplina primljena od grijača, i Q2 - predana hladnjaku.
Rad toplinskog motora
Rad koji obavlja toplinski stroj izračunava se pomoću sljedeće formule:
A=|QH| - |QX|, gdje je A rad, QH je količina topline primljena od grijača, QX - količina topline koja se daje hladnjaku.
Učinkovitost toplinskog motora (formula):
|QH| - |QX|)/|QH|=1 - |QX|/|QH|
Jednaka je omjeru rada motora prema količinitoplina. Dio toplinske energije se gubi tijekom ovog prijenosa.
Carnot motor
Maksimalna učinkovitost toplinskog stroja zabilježena je na Carnot uređaju. To je zbog činjenice da u ovom sustavu ovisi samo o apsolutnoj temperaturi grijača (Tn) i hladnjaka (Th). Učinkovitost toplinskog motora koji radi prema Carnotovom ciklusu određena je sljedećom formulom:
(Tn - Th)/ Tn=- Th - Tn.
Zakoni termodinamike omogućili su nam da izračunamo maksimalnu moguću učinkovitost. Po prvi put ovaj pokazatelj izračunao je francuski znanstvenik i inženjer Sadi Carnot. Izumio je toplinski stroj koji je radio na idealan plin. Radi na ciklusu od 2 izoterme i 2 adijabate. Načelo njegovog rada je prilično jednostavno: kontakt grijača se dovodi u posudu s plinom, zbog čega se radni fluid izotermno širi. Istodobno funkcionira i prima određenu količinu topline. Nakon što je posuda toplinski izolirana. Unatoč tome, plin se nastavlja širiti, ali već adijabatski (bez izmjene topline s okolinom). U tom trenutku njegova temperatura pada na hladnjak. U ovom trenutku plin je u kontaktu s hladnjakom, zbog čega mu daje određenu količinu topline tijekom izometrijske kompresije. Zatim se posuda ponovno toplinski izolira. U ovom slučaju, plin se adijabatski komprimira do svog izvornog volumena i stanja.
Varieties
U našem vremenu postoji mnogo vrsta toplinskih motora koji rade na različitim principima i na različita goriva. Svi imaju svoju učinkovitost. To uključujesljedeće:
• Motor s unutarnjim izgaranjem (klip), koji je mehanizam u kojem se dio kemijske energije gorućeg goriva pretvara u mehaničku energiju. Takvi uređaji mogu biti plinoviti i tekući. Postoje 2-taktni i 4-taktni motori. Mogu imati kontinuirani ciklus rada. Prema načinu pripreme mješavine goriva, takvi su motori karburatorski (s vanjskim stvaranjem smjese) i dizelski (s unutarnjim). Prema vrstama pretvarača energije dijele se na klipne, mlazne, turbinske, kombinirane. Učinkovitost takvih strojeva ne prelazi 0,5.
• Stirlingov motor - uređaj u kojem se radna tekućina nalazi u zatvorenom prostoru. To je vrsta motora s vanjskim izgaranjem. Princip njegovog rada temelji se na periodičnom hlađenju/zagrijavanju tijela uz proizvodnju energije zbog promjene njegovog volumena. To je jedan od najučinkovitijih motora.
• Turbinski (rotacijski) motor s vanjskim izgaranjem goriva. Takve se instalacije najčešće nalaze u termoelektranama.
• Turbinski (rotacijski) ICE se koristi u termoelektranama u vršnom načinu rada. Nije tako često kao drugi.
• Turboelisni motor stvara dio potiska zbog propelera. Ostatak dolazi od ispušnih plinova. Njegov dizajn je rotacijski motor (plinska turbina), na čiju je osovinu montiran propeler.
Druge vrste toplinskih motora
• Raketni, turbomlazni i mlazni motori koji dobivaju potisak od trzajaispušni plinovi.
• Solid-state motori koriste krute tvari kao gorivo. Pri radu se ne mijenja njegov volumen, već oblik. Rad opreme koristi iznimno nisku temperaturnu razliku.
Kako poboljšati učinkovitost
Je li moguće povećati učinkovitost toplinskog motora? Odgovor se mora tražiti u termodinamici. Proučava međusobne transformacije različitih vrsta energije. Utvrđeno je da je nemoguće svu raspoloživu toplinsku energiju pretvoriti u električnu, mehaničku itd. Pritom se njihova pretvorba u toplinsku energiju odvija bez ikakvih ograničenja. To je moguće zbog činjenice da se priroda toplinske energije temelji na nesređenom (kaotičnom) kretanju čestica.
Što se tijelo više zagrijava, brže će se kretati molekule koje ga čine. Kretanje čestica postat će još nestalnije. Uz to, svi znaju da se poredak lako može pretvoriti u kaos, koji je vrlo teško urediti.
