Moderna stvarnost pretpostavlja širokurad toplinskih strojeva. Dosad su propali brojni pokušaji da ih se zamijene elektromotorima. Problemi povezani s akumulacijom električne energije u autonomnim sustavima rješavaju se s velikim poteškoćama.
Tehnološki problemi i dalje su relevantniproizvodnja akumulatora električne energije uzimajući u obzir njihovu dugotrajnu uporabu. Karakteristike brzine električnih vozila daleko su od karakteristika automobila koje pokreću motori s unutarnjim izgaranjem.
Prvi koraci u stvaranju hibridnih motora mogu značajno smanjiti štetne emisije u mega gradovima, rješavajući ekološke probleme.
Sposobnost pretvaranja energije pare u energijupokret je poznat od antike. 130. pne: Filozof Heron iz Aleksandrije predstavio je publici parnu igračku - eolipil. Kugla, ispunjena parom, došla je u rotaciju pod djelovanjem mlaznica koje su iz nje proizlazile. Taj prototip modernih parnih turbina u to doba nije našao primjenu.
Mnogo godina i stoljeća razvoj filozofa smatrao se samo smiješnom igračkom. Talijan D. Branchi stvorio je 1629. aktivnu turbinu. Para je pokrenula disk opremljen lopaticama.
Od tog trenutka počeo je brzi razvoj parnih strojeva.
Transformacija unutarnje energije goriva u energiju kretanja dijelova strojeva i mehanizama koristi se u toplinskim strojevima.
Glavni dijelovi strojeva: grijač (sustav za dobivanje energije izvana), radna tekućina (vrši korisno djelovanje), hladnjak.
Grijač je dizajniran tako da radna tekućina akumulira dovoljnu količinu unutarnje energije za koristan rad. Hladnjak uklanja višak energije.
Glavna karakteristika učinkovitosti naziva seUčinkovitost toplinskih strojeva. Ova vrijednost pokazuje koliko se energije potrošene na grijanje troši na obavljanje korisnih poslova. Što je veća učinkovitost, to je isplativije raditi stroj, ali ta vrijednost ne može premašiti 100%.
Neka grijač stekne energiju izvana jednaku Q1. Radno tijelo je radilo A, dok je energija davana hladnjaku bila Q2.
Na temelju definicije izračunavamo vrijednost učinkovitosti:
η = A / Q1... Uzimamo u obzir da je A = Q1 - P2.
Otuda i učinkovitost toplinskog stroja čija formula ima oblik η = (Q1 - P2) / Q1 = 1 - Q2/ Q1, omogućuje nam da izvučemo sljedeće zaključke:
Je li moguće stvoriti takav motor,koja bi učinkovitost bila maksimalna (idealno jednaka 100%)? Francuski teoretski fizičar i nadareni inženjer Sadi Carnot pokušao je pronaći odgovor na ovo pitanje. 1824. objavljeni su njegovi teoretski izračuni procesa u plinovima.
Glavna ideja svojstvena idealnom stroju je izvođenje reverzibilnih procesa idealnim plinom. Započinjemo širenjem plina izotermno na temperaturi T1... Količina topline potrebna za to je Q1. nakon plin se širi bez izmjene topline (adijabatski proces). Postizanje temperature T2, plin se komprimira izotermno, prenoseći energiju Q2... Povratak plina u izvorno stanje provodi se adijabatski.
Učinkovitost idealnog Carnotovog toplinskog stroja pritočan izračun jednak je omjeru razlike temperature između uređaja za grijanje i hlađenje i temperature koju ima grijač. Izgleda ovako: η = (T1 - T2) / T1.
Moguća učinkovitost toplinskog stroja čija formula ima oblik: η = 1 - T2/ T1, ovisi samo o temperaturnim vrijednostima grijača i hladnjaka i ne može biti veća od 100%.
Štoviše, ovaj omjer omogućuje dokazivanje da učinkovitost toplinskih strojeva može biti jednaka jedinici samo kada hladnjak dosegne apsolutnu nultu temperaturu. Kao što znate, ova je vrijednost nedostižna.
Karnotovi teoretski izračuni omogućuju utvrđivanje maksimalne učinkovitosti toplinskog stroja bilo kojeg dizajna.
Teorem koji je dokazao Carnot zvuči kako slijedi.Proizvoljni toplinski stroj ni u kojem slučaju ne može imati koeficijent učinkovitosti veći od idealnog toplinskog stroja.
Primjer 1. Kolika je učinkovitost idealnog toplinskog stroja ako je temperatura grijača 800okoC, a temperatura hladnjaka je 500okoC ispod?
T1= 800okoS = 1073 K, ∆T = 500okoC = 500 K, η -?
rješenje:
Po definiciji: η = (T1 - T2) / T1.
Ne dobivamo temperaturu hladnjaka, već ∆T = (T1 - T2), stoga:
η = ∆T / T1 = 500 K / 1073 K = 0,46.
Odgovor: učinkovitost = 46%.
Primjer 2. Odredite učinkovitost idealnog toplinskog stroja akoNa račun kupljenog jednog kilodžula energije iz grijača, koristan rad je 650 J. Kolika je temperatura grijača toplinskog stroja ako je temperatura hladnjaka 400 K?
K1 = 1 kJ = 1000 J, A = 650 J, T2 = 400 K, η - ?, T1 =?
rješenje:
U ovom problemu govorimo o toplinskoj instalaciji čija se učinkovitost može izračunati formulom:
η = A / Q1.
Za određivanje temperature grijača koristimo formulu za učinkovitost idealnog toplinskog stroja:
η = (T1 - T2) / T1 = 1 - T2/ T1.
Nakon izvođenja matematičkih transformacija dobivamo:
T1 = T2 / (1- η).
T1 = T2 / (1- A / Q1).
Izračunajmo:
η = 650 J / 1000 J = 0,65.
T1 = 400 K / (1- 650 J / 1000 J) = 1142,8 K.
Odgovor: η = 65%, T1 = 1142,8 K.
Idealan toplinski stroj dizajniran je s obzirom na idealne procese. Rad se izvodi samo u izotermnim procesima, njegova vrijednost definirana je kao područje ograničeno grafom Carnotovog ciklusa.
Zapravo stvoriti uvjete za protokpostupak promjene stanja plina bez popratnih promjena temperature je nemoguć. Ne postoje materijali koji bi isključili izmjenu topline s okolnim predmetima. Postaje nemoguće provesti adijabatski proces. U slučaju izmjene topline, temperatura plina mora se nužno promijeniti.
Učinkovitost toplinskih strojeva stvorenih u stvarnostiuvjeti se bitno razlikuju od učinkovitosti idealnih motora. Imajte na umu da se tijek procesa u stvarnim motorima događa tako brzo da se promjena unutarnje toplinske energije radne tvari u procesu promjene njenog volumena ne može nadoknaditi dotokom količine topline iz grijača i povratom u hladnjak.
Pravi motori rade na različitim ciklusima:
Stvaranje ravnotežnih procesa u stvarnostimotora (kako bi ih približili idealu) u uvjetima moderne tehnologije nije moguće. Učinkovitost toplinskih strojeva je mnogo niža, čak i uzimajući u obzir iste temperaturne uvjete kao u idealnoj toplinskoj instalaciji.
Ali ne biste trebali umanjiti ulogu formule za izračunavanje učinkovitosti Carnotovog ciklusa, jer upravo ta formula postaje polazna točka u procesu rada na povećanju učinkovitosti stvarnih motora.
Usporedba idealne i stvarne toplinemotora, vrijedi napomenuti da temperatura hladnjaka potonjeg ne može biti nikakva. Obično se atmosferom smatra hladnjak. Prihvatiti temperaturu atmosfere moguće je samo u približnim izračunima. Iskustvo pokazuje da je temperatura rashladne tekućine jednaka temperaturi ispušnih plinova u motorima, kao što je slučaj u motorima s unutarnjim izgaranjem (ICE ukratko).
ICE je najčešći u našem svijetutoplotna mašina. Učinkovitost toplinskog stroja u ovom slučaju ovisi o temperaturi koju stvara gorivo za izgaranje. Značajna razlika između motora s unutarnjim izgaranjem i parnih strojeva je fuzija funkcija grijača i radnog medija uređaja u smjesi zrak-gorivo. Izgarajući, smjesa stvara pritisak na pokretne dijelove motora.
Porast temperature radnih plinova doseže,značajno mijenjajući svojstva goriva. Nažalost, to je nemoguće raditi u nedogled. Bilo koji materijal od kojeg je izrađena komora za izgaranje motora ima svoju točku topljenja. Otpornost topline takvih materijala glavna je karakteristika motora, kao i sposobnost značajnog utjecaja na učinkovitost.
Ako uzmemo u obzir parnu turbinu, temperatururadna para na ulazu koja je jednaka 800 K, a ispušni plin - 300 K, tada je učinkovitost ovog stroja jednaka 62%. Međutim, u stvarnosti ta vrijednost ne prelazi 40%. Do takvog smanjenja dolazi zbog gubitaka topline tijekom zagrijavanja kućišta turbine.
Najveća vrijednost učinkovitosti unutarnjih motoraizgaranje ne prelazi 44%. Povećanje ove vrijednosti pitanje je bliske budućnosti. Promjena svojstava materijala, goriva problem je na kojem rade najbolji umovi čovječanstva.
