Potreba za korištenjem mehaničke energije u proizvodnji dovela je do pojave toplinskih motora.
Dizajn toplinskih motora
Toplinski stroj (toplinski stroj) - uređaj za pretvaranje unutarnje energije u mehaničku energiju.
Svaki toplinski stroj ima grijač, radnu tekućinu (plin ili para), koja, kao rezultat zagrijavanja, obavlja rad (okreće osovinu turbine, pomiče klip i tako dalje) i hladnjak. Slika ispod prikazuje dijagram toplinskog motora.
Osnove toplinskih motora
Svaki toplinski stroj funkcionira zahvaljujući motoru. Da bi obavio posao, mora imati razliku tlaka s obje strane klipa motora ili lopatica turbine. Ova razlika se postiže u svim toplinskim strojevima na sljedeći način: temperatura radnog fluida raste za stotine ili tisuće stupnjeva u usporedbi s temperaturom okoline. U plinskim turbinama i u motorima s unutarnjim izgaranjem (ICE) temperatura raste zbog činjenice da gorivo izgara unutar samog motora. Hladnjak može biti atmosfera ili uređaj posebne namjene za kondenzaciju i hlađenje ispušne pare.
Carnot ciklus
Ciklus (kružni proces) - skup promjena u stanju plina, uslijed kojih se vraća u prvobitno stanje (može raditi). Godine 1824. francuski fizičar Sadi Carnot pokazao je da je ciklus toplinske mašine (Carnotov ciklus), koji se sastoji od dva procesa, izotermnog i adijabatskog, koristan. Slika ispod prikazuje grafikon Carnotovog ciklusa: 1-2 i 3-4 su izoterme, 2-3 i 4-1 su adijabate.
U skladu sa zakonom o očuvanju energije, rad toplinskih motora koji obavlja motor je:
A=Q1– Q2, gdje je Q1 količina topline primljena od grijača, a Q2 količina topline predana hladnjaku. Učinkovitost toplinskog motora je omjer rada A koji je izvršio motor i količine topline primljene od grijača:
η=A/Q=(Q1– Q2)/Q1 =1 - Q2/Q1.
U djelu "Misli o pokretačkoj sili vatre i o strojevima koji su sposobni razviti tu silu" (1824), Carnot je opisao toplinski stroj nazvan "idealni toplinski stroj s idealnim plinom, koji je radna tekućina." Zahvaljujući zakonima termodinamike moguće je izračunati učinkovitost (maksimalno moguću) toplinskog motora s grijačem koji imatemperatura T1, i hladnjak s temperaturom T2. Carnotov toplinski motor ima učinkovitost:
ηmax=(T1 – T2)/T 1=1 – T2/T1.
Sadi Carnot je dokazao da je svaki toplinski stroj stvaran, koji radi s grijačem s temperaturom T1 i hladnjakom s temperaturom od T2 ne može imati učinkovitost koja bi premašila učinkovitost toplinskog motora (idealno).
Motor s unutarnjim izgaranjem (ICE)
Četverotaktni motor s unutarnjim izgaranjem sastoji se od jednog ili više cilindara, klipa, koljenastog mehanizma, usisnih i ispušnih ventila, svijeća.
Radni ciklus se sastoji od četiri ciklusa:
1) usis - zapaljiva smjesa ulazi u cilindar kroz ventil;
2) kompresija - oba ventila su zatvorena;
3) radni hod - eksplozivno izgaranje zapaljive smjese;
4) ispušni plin - ispuštanje ispušnih plinova u atmosferu.
Parna turbina
U parnoj turbini energija se pretvara zbog razlike u tlaku vodene pare na ulazu i izlazu.
Kapaciteti modernih parnih turbina dosežu 1300 MW.
Neki tehnički parametri parne turbine od 1200 MW
- Tlak pare (svježe) - 23,5 MPa.
- Temperatura pare - 540 °C.
- Potrošnja pare turbine - 3600 t/h.
- Brzina rotora - 3000 o/min.
- Tlak pare u kondenzatoru je 3,6 kPa.
- Duljina turbine - 47,9 m.
- Težina turbine - 1900 t.
Toplinski motor se sastoji od zračnog kompresora, komore za izgaranje i plinske turbine. Princip rada: zrak se adijabatski usisava u kompresor, pa mu temperatura raste do 200°C ili više. Zatim komprimirani zrak ulazi u komoru za izgaranje, gdje istovremeno pod visokim tlakom ulazi tekuće gorivo - kerozin, fotogen, loživo ulje. Kada se gorivo izgori, zrak se zagrijava do temperature od 1500-2000 ° C, širi se i povećava se njegova brzina. Zrak se kreće velikom brzinom, a proizvodi izgaranja šalju se u turbinu. Nakon prijelaza iz stupnja u stupanj, proizvodi izgaranja daju svoju kinetičku energiju lopaticama turbine. Dio energije koju prima turbina ide na rotaciju kompresora; ostatak se troši na rotaciju rotora električnog generatora, propelera zrakoplova ili morskog plovila, kotača automobila.
Plinska turbina može se koristiti, osim za rotiranje kotača automobila i propelera zrakoplova ili broda, kao mlazni motor. Zrak i produkti izgaranja izbacuju se iz plinske turbine velikom brzinom, pa se mlazni potisak koji nastaje tijekom ovog procesa može iskoristiti za pokretanje zračnih (aviona) i vodenih (brodskih) brodova, te željezničkog transporta. Primjerice, zrakoplovi An-24, An-124 ("Ruslan"), An-225 ("Dream") imaju turboprop motore. Dakle, "Dream" pri brzini leta od 700-850 km / h sposoban je prevesti 250 tona tereta na udaljenosti od gotovo 15.000 km. To je najveći transportni zrakoplov na svijetu.
Ekološki problemi termalnih motora
Ima veliki utjecaj na klimustanje atmosfere, posebice prisutnost ugljičnog dioksida i vodene pare. Dakle, promjena sadržaja ugljičnog dioksida dovodi do povećanja ili smanjenja efekta staklenika, pri čemu ugljični dioksid djelomično apsorbira toplinu koju Zemlja zrači u svemir, zadržava je u atmosferi i time povećava temperaturu površine i nižim slojevima atmosfere. Fenomen efekta staklenika igra odlučujuću ulogu u ublažavanju klimatskih promjena. U njegovom odsustvu, prosječna temperatura planeta ne bi bila +15 °S, već niža za 30-40 °S.
Sada u svijetu postoji više od 300 milijuna različitih vrsta automobila koji stvaraju više od polovice zagađenja zraka.
Za godinu dana iz termoelektrana je u atmosferu ispušteno 150 milijuna tona sumpornih oksida, 50 milijuna tona dušikovog oksida, 50 milijuna tona pepela, 200 milijuna tona ugljičnog monoksida, 3 milijuna tona feona kao rezultat izgaranja goriva.
Atmosfera sadrži ozon, koji štiti sav život na zemlji od štetnog djelovanja ultraljubičastih zraka. Godine 1982. J. Farman, engleski istraživač, otkrio je ozonsku rupu iznad Antarktika – privremeno smanjenje sadržaja ozona u atmosferi. U vrijeme maksimalnog razvoja ozonske rupe 7. listopada 1987. količina ozona u njoj se smanjila za 2 puta. Ozonska rupa je vjerojatno nastala kao rezultat antropogenih čimbenika, uključujući korištenje u industriji freona koji sadrže klor (freona), koji uništavaju ozonski omotač. Međutim, istraživanja 1990-ih nije podržao ovo gledište. Najvjerojatnije ozonska rupanije povezan s ljudskom aktivnošću i prirodan je proces. Godine 1992. ozonska rupa je također otkrivena iznad Arktika.
Ako se sav atmosferski ozon skupi u sloj blizu površine Zemlje i zgusne do gustoće zraka pri normalnom atmosferskom tlaku i temperaturi od 0 °C, tada će debljina ozonskog štita biti samo 2-3 mm! To je cijeli štit.
Malo povijesti…
- srpnja 1769. Vojni inženjer N. J. Kunyo prešao je nekoliko desetaka metara u parku Meudon u Parizu na "vatrenim kolima", koja su bila opremljena dvocilindričnim parnim strojem.
- 1885. Karl Benz, njemački inženjer, izgradio je prvi benzinski četverotaktni automobil na tri kotača Motorwagen snage 0,66 kW, za koji je dobio patent 29. siječnja 1886. godine. Brzina automobila dostigla je 15-18 km/h.
- 1891. Gottlieb Daimler, njemački izumitelj, napravio je teretni kamion s motorom od 2,9 kW (4 konjske snage) od osobnog automobila. Maksimalna brzina automobila dostigla je 10 km/h, nosivost u raznim modelima kretala se od 2 do 5 tona.
- 1899. Belgijanac C. Zhenatzi je prvi put prešao ograničenje brzine od 100 kilometara u svom automobilu "James Contint" ("Uvijek nezadovoljan").
Primjeri rješavanja problema
Problem 1. Idealan toplinski stroj ima temperaturu grijača od 2000 K, a temperaturu hladnjaka od 100 °C. Odredite učinkovitost.
Rješenje:
Formula koja određuje učinkovitost toplinskog motora (maksimalno):
ŋ=T1-T2/T1.
ŋ=(2000K - 373K) / 2000 K=0,81.
Odgovor: Učinkovitost motora je 81%.
Zadatak 2. 200 kJ topline primljeno je u toplinski stroj tijekom izgaranja goriva, a 120 kJ topline je preneseno u hladnjak. Kolika je učinkovitost motora?
Rješenje:
Formula za određivanje učinkovitosti je sljedeća:
ŋ=Q1 - Q2 / Q1.
ŋ=(2 105 J - 1, 2 105 J) / 2 105 J=0, 4.
Odgovor: Učinkovitost toplinskog stroja je 40%.
Problem 3. Kolika je učinkovitost toplinskog stroja ako radni fluid, nakon što je primio 1,6 MJ topline od grijača, izvrši 400 kJ rada? Koliko je topline preneseno u hladnjak?
Rješenje:
Učinkovitost se može odrediti formulom
ŋ=A / Q1.
ŋ=0,4 106 J / 1,6 106 J=0,25.
Količina topline koja se prenosi u hladnjak može se odrediti formulom
Q1 - A=Q2.
Q2=1,6 106 J - 0,4 106 J=1,2 106J. Odgovor: toplinski stroj ima učinkovitost od 25%; količina topline koja se prenosi u hladnjak je 1,2 10
6 J.
