Теплова машина: цикл, робота, ккд. Екологічні проблеми теплових машин. Яка вона - ідеальна теплова машина?

Потреба використання механічної енергії на виробництві призвело до появи теплових машин.

Пристрій теплових машин

Теплова машина (тепловий двигун) - пристрій для перетворення внутрішньої енергії в механічну.

Будь-яка теплова машина має нагрівач, робоче тіло (газ або пар), яке в результаті нагрівання виконує роботу (приводить в обертання вал турбіни, рухає поршень і так далі) і холодильник. На малюнку нижче зображена схема теплового двигуна.

Основи дії теплових двигунів

Кожна теплова машина функціонує завдяки двигуну. Для виконання роботи йому потрібно, щоб по ту і іншу сторону поршня двигуна або лопатей турбіни була різниця тисків. Досягається ця різниця у всіх теплових двигунах так: температура робочого тіла підвищується на сотні або тисячі градусів у порівнянні з температурою навколишнього середовища. У газових турбінах і в двигунах внутрішнього згоряння (ДВЗ) відбувається підвищення температури за рахунок того, що паливо згорає всередині самого двигуна. Холодильником може виступати атмосфера або спеціального призначення пристрою для конденсації і охолодження відпрацьованого пара.

Цикл Карно

Цикл (круговий процес) - сукупність змін стану газу, в результаті яких він повертається в початковий стан (може виконувати роботу). У 1824 році французький фізик Саді Карно показав, що вигідним є цикл теплової машини (цикл Карно), який складається з двох процесів - ізотермічного і адиабатного. На малюнку нижче зображений графік циклу Карно: 1-2 і 3-4 - ізотерми, 2-3 і 4-1 - адіабати.

Відповідно до закону збереження енергії робота теплових машин, яку виконує двигун, дорівнює:

А = Q₁- Q₂,

де Q₁ - кількість теплоти, яке отримано від нагрівача, а Q₂ - кількість теплоти, яка віддано холодильника.

ККД теплової машини називається відношення роботи А, яку виконує двигун, до кількості теплоти, яку отримано від нагрівача:

eta- = А / Q = (Q₁- Q₂) / Q₁ = 1 - Q₂/ Q₁.

У роботі «Думки про рушійну силу вогню і про машини, які здатні розвивати цю силу» (1824) Карно описав теплову машину під назвою "ідеальна теплова машина з ідеальним газом, який являє собою робоче тіло". Завдяки законам термодинаміки можна обчислити ККД (максимально можливий) теплового двигуна з нагрівачем, який має температуру Т₁, і холодильником з температурою Т₂. Теплова машина Карно має ККД:

eta-_max = (T₁ - T₂) / T₁ = 1 - T₂/ T_1.

Сади Карно довів, що яка завгодно теплова машина реальна, яка працює з нагрівачем з температурою Т₁ і холодильником з температурою Т₂ не спроможна мати ККД, який би перевищував ККД теплової машини (ідеальної).

Двигун внутрішнього згоряння (ДВЗ)

Чотиритактний ДВС складається з одного або декількох циліндрів, поршня, кривошипно-шатунного механізму, впускного і випускного клапанів, свічки.

Робочий цикл складається з чотирьох тактів:

1) засмоктування - горюча суміш потрапляє через клапан в циліндр

2) стиснення - обидва клапана закрити-

3) робочий хід - вибухове згоряння горючої суміші-

4) вихлоп - випуск відпрацьованих газів в атмосферу.

Парова турбіна

У паровій турбіні перетворення енергії відбувається за рахунок різниці тисків водяної пари на вході і виході.

Потужності сучасних парових турбін досягають 1 300 МВт.

Деякі технічні параметри парової турбіни потужністю 1200 МВт

• Тиск пари (свіжого) - 23,5 МПа.
• Температура пара - 540 ° С.
• Витрата пари турбіною - 3600 т / ч.
• Частота обертання ротора - 3000 об / хв.
• Тиск пари в конденсаторі - 3,6 кПа.
• Довжина турбіни - 47,9 м.
• Маса турбіни - 1900 т.

Теплова машина складається з повітряного компресора, камери згоряння і газової турбіни. Принцип роботи: повітря адіабатно засмоктується в компресор, тому його температура підвищується до 200 ° С і більше. Далі стиснене повітря потрапляє в камеру згоряння, куди одночасно під великим тиском надходить рідке паливо - гас, гас, мазут. При згорянні палива повітря нагрівається до температури 1500-2000 ° С, розширюється, і швидкість його руху зростає. Повітря рухається з великою швидкістю, і продукти згоряння спрямовуються в турбіну. Після переходу від щабля до щабля продукти згоряння віддають лопатям турбіни свою кінетичну енергію. Частина енергії, отриманої турбіною, йде на обертання компрессора- решта витрачається на обертання ротора електрогенератора, гвинта літака або морського судна, коліс автомобіля.

Газову турбіну можна використовувати, крім обертання коліс автомобіля і гвинтів літака або теплохода, в якості реактивного двигуна. Повітря і продукти згоряння з великою швидкістю викидаються з газової турбіни, тому реактивна тяга, яка виникає при цьому процесі, може використовуватися для ходу повітряних (літак) і водних (теплохід) суден, залізничного транспорту. Наприклад, турбогвинтові двигуни мають літаки Ан-24, Ан-124 («Руслан»), Ан-225 («Мрія»). Так, «Мрія» при швидкості польоту 700-850 км / год здатна перевозити 250 тонн вантажу на відстань майже 15000 км. Це найбільший транспортний літак у світі.

Екологічні проблеми теплових машин

Великий вплив на клімат має стан атмосфери, зокрема наявність вуглекислого газу і водяної пари. Так, зміна вмісту вуглекислого газу призводить до посилення або ослаблення парникового ефекту, при якому вуглекислий газ частково поглинає тепло, яке Земля випромінює в космос, затримує його в атмосфері і підвищує тим самим температуру поверхні і нижніх шарів атмосфери. Явище парникового ефекту відіграє вирішальну роль у пом`якшенні клімату. При його відсутності середня температура планети була б не +15 ° С, а нижче на 30-40 ° С.

Зараз у світі існує більше 300 млн різного виду автомобілів, які створюють більше половини всіх забруднень атмосфери.

За 1 рік в атмосферу з теплових електростанцій в результаті спалювання палива виділяється 150 млн тонн оксидів сірки, 50 млн тонн оксиду азоту, 50 млн тонн золи, 200 млн тонн оксиду вуглецю, 3 млн тонн Феона.

До складу атмосфери входить озон, який захищає все живе на землі від згубної дії ультрафіолетових променів. У 1982 році Дж. Фарманом, англійським дослідником, над Антарктидою була відкрита озонова діра - тимчасове зниження вмісту озону в атмосфері. У момент максимального розвитку озонової діри 7 жовтня 1987 кількість озону в ній зменшилася в 2 рази. Озонова діра, ймовірно, виникла в результаті антропогенних факторів, у тому числі використання в промисловості хлорвмісних хладонов (фреонів), які руйнують озоновий шар. Проте дослідження 1990 рр. не підтвердили цю точку зору. Швидше за все, поява озонової діри не пов`язане з діяльністю людини і є природним процесом. У 1992 році і над Арктикою була відкрита озонова діра.

Якщо весь атмосферний озон зібрати в шар біля поверхні Землі і згустити його до щільності повітря при нормальному атмосферному тиску і температурі 0 ° С, то товщина озонового щита буде всього лише 2-3 мм! Ось і весь щит.

Трохи з історії ...

• Липень 1769. У паризькому парку Медоне військовий інженер Н. Ж. Кюньйо на «вогненної возі», яка була оснащена двоциліндровим паровим двигуном, проїхав кілька десятків метрів.
• +1885 Рік. Карл Бенц, німецький інженер, побудував перший бензиновий чотиритактний триколісний автомобіль Motorwagen потужністю 0,66 кВт, на який 29 січня 1886 отримав патент. Швидкість машини досягала 15-18 км / ч.
• 1891. Готліб Даймлер, німецький винахідник, виготовив вантажний візок з двигуном потужністю 2,9 кВт (4 кінські сили) від легкового автомобіля. Максимальна швидкість автомобіля досягала 10 км / ч, вантажопідйомність в різних моделях становила від 2 до 5 тонн.
• 1899 року. Бельгієць К. Женатці на своєму автомобілі «Жаме Контант» («Завжди незадоволена») вперше подолав 100-кілометровий рубіж швидкості.

Приклади розв`язання задач

Завдання 1. Температуру нагрівача ідеальна теплова машина має рівну 2000 К, а температуру холодильника - 100 ° С. Визначити ККД.

Рішення:

Формула, яка визначає ККД теплової машини (максимальний):

= Т₁-Т₂/ Т_1.

= (2000К - 373К) / 2000 К = 0,81.

Відповідь: ККД двигуна - 81%.

Завдання 2. У тепловому двигуні при згоранні палива було отримано 200 кДж теплоти, а холодильника передано 120 кДж теплоти. Який ККД двигуна?

Рішення:

Формула для визначення ККД має такий вигляд:

= Q1 - Q2 / Q1.

= (2middot-10⁵ Дж - 1,2middot-10⁵ Дж) / 2middot-10⁵ Дж = 0,4.

Відповідь: ККД теплового двигуна - 40%.

Завдання 3. Який ККД теплової машини, якщо робоче тіло після отримання від нагрівача кількості теплоти 1,6 МДж виконало роботу 400 кДж? Яка кількість теплоти було передано холодильника?

Рішення:

ККД можна визначити за формулою

= А / Q_1.

= 0,4middot-10⁶ Дж / 1,6middot-10⁶ Дж = 0,25.

Передане холодильнику кількість теплоти можна визначити за формулою

Q₁ - А = Q_2.

Q₂ = 1,6middot-10⁶ Дж - 0,4middot-10⁶ Дж = 1,2middot-10⁶ Дж.

Відповідь: теплова машина має ККД 25% - передане холодильнику кількість теплоти - 1,2middot-10⁶ Дж.