Toplotni stroj: cikel, delo učinkovitost. Okoljski problemi toplotnih naprav. Kaj je to - idealna toplotni stroj?

Potreba za uporabo mehanske energije v proizvodnji je privedlo do nastanka toplotnih naprav.

Enota toplotnih motorjev

Toplota motorja (toplotni stroj), - napravo za pretvarjanje notranje energije v mehansko energijo.

Vsak toplotni stroj ima grelec, delovno tekočino (plina ali hlapov), ki opravlja delo s segrevanjem (ki povzroči vrtenje gredi turbine, premakne bata, in tako dalje) in hladilnik. Spodnja slika prikazuje diagram toplotnega motorja.

Osnove koraki toplotnih motorjev

Vsako delovanje motorja toplote zaradi motorja. Za to delo je potreben, da na obeh straneh rezila batnih motorjev in turbin je bila razlika tlaka. Ta razlika je doseženo v vseh toplotnih motorjih na naslednji način: temperatura delovni fluid poveča na več sto ali tisoč stopinj v primerjavi s temperaturo okolice. V plinske turbine in motorji z notranjim izgorevanjem (ICE) je zvišanje temperature zaradi dejstva, da se gorivo sežgejo v motorju. Hladilnik lahko deluje vzdušje ali naprave za posebne namene za hlajenje in kondenzacijo izrabljeno paro.

Carnotov cikel

Cycle (ciklični proces) - sklop sprememb stanju plina, zaradi česar ji je vrnil v začetno stanje (lahko opravlja delo). Leta 1824, A francoščina fizik Sadi Karno pokazale, da je koristno, da cikel toploto motorja (v Carnotov cikel), ki je sestavljen iz dveh postopkih - izotermični in adiabatni. Spodnja slika prikazuje graf cikla Carnotovem: 1-2 in 3-4 - izoterma, 2-3 in 4-1 - adiabatni.

V skladu z zakonom o ohranjanju energije dela toplotnih motorjev, ki opravlja motorja:

A = _Q1 - _Q2,

_1, kjer je Q - količina toplote, ki je prejel od grelnika in ₂ Q - količina toplote, ki je poslana v hladilnik.
Učinkovitost je razmerje enote v toploto motorja, ki izvaja motor s količino toplote, ki se pridobiva iz grelnika:

η = A / Q = _(Q1 - _Q2) / _Q1 = 1 - _Q2 / _Q1.

V "Misli na pogonsko silo ognja in na strojih, ki so sposobni razvijati te sile« (1824) je opisal toplotno motor Carnotovega pod imenom "idealnega toplotnega stroja z idealnega plina, ki je delovno telo." Zaradi zakoni termodinamike lahko izračunamo učinkovitost (največja možna) z grelcem motorja toplote, ki ima temperaturo _T1 in hladilnik s temperaturo _T2. Carnotov izkoristek toplote motorja:

η _max = _(T1 - _T2) / _T1 = 1 - _T2 / _T1.

Sadi Karno izkazalo, da je želeno toplotno resnično stroj, ki deluje z grelnikom s temperaturo T ₁ in kondenzatorjem pri temperaturi _T2 ne more imeti učinkovitosti, ki bi presegla učinkovitost toplotnega stroja (idealne).

Motor z notranjim izgorevanjem (ICE)

motor z notranjim zgorevanjem Štiritaktni obsega enega ali več valjev, bat, mehanizem ročice, sesalni in izpušni ventili, iskra.

Poslovni cikel je sestavljen iz štirih udarcev:

1) sesanja - gorljiva zmes prehaja skozi ventil v cilinder;
2) Kompresija - oba ventila zaprta;
3) kap - eksplozivno zgorevanje gorljive mešanice;
4) Izpušni - izpusti izpušnih plinov v ozračje.

parna turbina

pretvorba Energija parna turbina nastane zaradi razlike tlakov vodne pare na vstopu in izstopu.
Moč sodobnih parnih turbin dosegla 1.300 MW.

Nekateri tehnični parametri parna turbina 1200 MW

• Parni tlak (sveže) - 23,5 MPa.
• Parni temperatura - 540 ° C
• Parna turbina - 3600 m / h.
• hitrost rotorja - 3000 obr / min.
• Parni tlak v kondenzatorju - 3,6 kPa.
• turbina dolžina - 47,9 m.
• Masa turbina - 1900 m.

Toplotna stroj sestoji iz zraka kompresor, gorilnik in plinsko turbino. DELOVANJE: adiabatsko vsesava zrak v kompresor, tako da se njena temperatura dvigne na 200 ° C ali več. Nato stisnjen zrak vstopa v zgorevalno komoro, kjer visokotlačni hkrati posredovanih tekoče gorivo - kerozin photogen gorivno olje. Pri zgorevanju letalskega goriva, segreto na temperaturo od 1500-2000 ° C, da se širi in povečuje njegovo hitrost. Zrak se premika z veliko hitrostjo, in produkti izgorevanja so usmerjeni v turbino. Po prehodu iz faze do lopatic faza turbina daje kinetično energijo. Del energije, ki jo turbine prejel je rotacijski kompresor; preostali del se porabi na rotorju generatorja, zrakoplova rotor ali morsko plovilo, kolesa vozila.

Turbina plin, ki se lahko uporablja, poleg vrtenja ravnine in kolesi vozil in propelerjev na ladji, kot reaktivni motor. Zrak in dimni plini se izvrže pri visoki hitrosti iz plinske turbine, tako da curek potisk, ki se pojavi v tem procesu, se lahko uporablja za premikanje letala (letal) in vodo (ladjo) ladje, železniškega prometa. Na primer, turbopropelerskih motorjev imajo letala AN-24, AN-124 ( "Ruslan"), Ru-225 ( "sanje"). Tako je "Dream" pri hitrosti letenja 700-850 km / h, je sposoben izvajati 250 ton tovora na razdalji skoraj 15.000 kilometrov. To je največje transportno letalo na svetu.

Okoljski problemi toplotnih naprav

Dober učinek na klimo atmosferskih pogojih, zlasti prisotnost ogljikovega dioksida in vodne pare. Tako je sprememba v vsebnosti ogljikovega dioksida vodi do povečanja ali zmanjšanja učinka tople grede, pri čemer ogljikov dioksid absorbira del toplote, ki izžareva v ozemljitveni prostor, zamude pri povečanjem atmosferi in tako površinske temperature in spodnji atmosferi. Pojav učinka tople grede igra ključno vlogo pri blaženju podnebnih sprememb. V odsotnosti povprečna temperatura planeta ne bi +15 ° C in nižje za 30-40 ° C

V svetu obstaja že več kot 300 milijonov različne vrste vozil, ki ustvarijo več kot polovico vseh onesnaževanja zraka.

Več kot 1 leto v ozračje iz toplotno močjo od zgorevanja goriva se razporedi 150 milijonov ton žveplovih oksidov, 50 milijonov ton dušikovega oksida, 50 milijonov ton pepela, 200 milijonov ton ogljikovega monoksida, 3 milijone ton Feona.

Sestava atmosfere vključuje ozon, ki ščiti življenje na Zemlji pred škodljivimi učinki UV žarke. . Leta 1982 je John Farman, britanski raziskovalec, so odkrili več kot Antarktika ozonska luknja - začasno zmanjšanje vsebnosti ozona v ozračju. Na vrhuncu ozonske luknje 7. oktobra 1987 se je količina ozona v njej v 2-krat zmanjšala. Ozon luknja verjetno posledica antropogenih dejavnikov, vključno z uporabo v industriji freonov, ki vsebujejo klor (CFC), ki uničujejo ozonski plašč. Vendar pa je raziskava 1990. ni potrdil to stališče. Najverjetneje nastanek ozonske luknje ni povezana s človekovimi dejavnostmi, in je naravni proces. Leta 1992 se je ozonska luknja odkrili nad Arktiko.

Če zbiranje vseh atmosferski ozonsko plast v zemeljski površini in ga zgostimo na gostoto zraka pri atmosferskem tlaku in temperaturi 0 ° C, nato debelina ozon ščit je samo 2-3 mm! To je celoten ščit.

Malo zgodovine ...

• Julij 1769. V Pariz Meudon parku vojaški inženir NZ Kyunyo v "ogenj vagon", ki je bil opremljen s parnim motorjem dva valja, odpeljal nekaj deset metrov.
• 1885. Karl Benz, nemški inženir, zgradili prvo štirikolesno bencinski avto Motorwagen moč 0,66 kW, ki je 29. januar 1886, pridobljen patent. Hitrost stroja je 15-18 km / h.
• 1891. Gottlieb Daimler, A nemščina izumitelj, izdelan voziček pogonske moči 2,9 kW (4 navedbe moči) avtomobila. Največja hitrost vozila doseže 10 km / h, zmogljivost v različnih modelov je od 2 do 5 ton.
• 1899. Belgijski K. Zhenattsi v avtu, "Jamet Contant" ( "nikoli zadovoljen") prvič prečkal hitrost 100 kilometrov proge.

Primeri reševanja problemov

Problem 1. temperatura grelnega idealnega toplotnega stroja je enaka 2000 K in temperatura hladilnik - 100 ° C Za določitev učinkovitosti.

raztopina:
Formula, ki določa učinkovitost toplotnega motorja (največ):

N = T _1, T ₂ / T _1.
n = (2000K - 373K) / 2000 K = 0,81.

učinkovitost motorja - 81%: a.

Problem 2. Pri toplotni stroj 200 kJ toplote dobimo z zgorevanjem goriva, in prenesemo v hladilnik 120 kJ toplote. Kaj je učinkovitost motorja?

raztopina:
Formula za določitev učinkovitosti je v tej obliki:

N = Q1 - Q2 / Q1.
N = (2 * 10 ⁵ J - 1,2 x 10 ⁵ J) / 2 * 10 ⁵ J = 0,4.

A: toplotna učinkovitost motorja - 40%.

Problem 3. Kaj je učinkovitost toplotnega motorja, ko je delovna tekočina iz peči po prejemu količino toplote 1,6 MJ izvedemo operacijo 400 kJ? Kaj je količina toplote smo prenesli v hladilnik?

raztopina:
Učinkovitost se lahko določi s formulo

N = A / _Q1.

n = 0,4 · 10 ⁶ J / 1,6 · 10 ⁶ J = 0,25.

Oddajane hladilnik toplotno količino lahko določimo s formulo

_Q1 - A = _Q2.
Q2 = 1,6 · 10 ⁶ J - 0,4 · 10 ⁶ J = 1,2 · 10 ⁶ J.
A: toplotni stroj ima izkoristek 25%; Količina toplote prenese v hladilniku - 1,2 · 10 ⁶ J.