Цеплавая машына: цыкл, праца, ККД. Экалагічныя праблемы цеплавых машын. Якая яна - ідэальная цеплавая машына?

Патрэба выкарыстання механічнай энергіі на вытворчасці прывяло да з'яўлення цеплавых машын.

Прылада цеплавых машын

Цеплавая машына (цеплавой рухавік) - прылада для пераўтварэння ўнутранай энергіі ў механічную.

Любая цеплавая машына мае награвальнік, рабочае цела (газ або пар), якое ў выніку нагрэву выконвае працу (прыводзіць у кручэнне вал турбіны, рухае поршань і гэтак далей) і халадзільнік. На малюнку ніжэй намаляваная схема цеплавога рухавіка.

Асновы дзеянні цеплавых рухавікоў

Кожная цеплавая машына функцыянуе дзякуючы рухавіку. Для выканання працы яму трэба, каб па той і другі бок поршня рухавіка або лопасцяў турбіны была рознасць ціскаў. Дасягаецца гэтая рознасць ва ўсіх цеплавых рухавіках так: тэмпература рабочага цела павышаецца на сотні ці тысячы градусаў у параўнанні з тэмпературай навакольнага асяроддзя. У газавых турбінах і ў рухавіках унутранага згарання (ДВС) адбываецца павышэнне тэмпературы за кошт таго, што паліва згарае ўнутры самога рухавіка. Халадзільнікам можа выступаць атмасфера або спецыяльнага прызначэння прылады для кандэнсацыі і астуджэнні адпрацаванага пара.

цыкл Карно

Цыкл (кругавой працэс) - сукупнасць змен стану газу, у выніку якіх ён вяртаецца ў зыходны стан (можа выконваць працу). У 1824 г. французскі фізік Садзі Карно паказаў, што выгадным з'яўляецца цыкл цеплавой машыны (цыкл Карно), які складаецца з двух працэсаў - ізатэрмічнага і Адыябатны. На малюнку ніжэй намаляваны графік цыклу Карно: 1-2 і 3-4 - ізатэрм, 2-3 і 4-1 - адиабаты.

У адпаведнасці з законам захавання энергіі праца цеплавых машын, якую выконвае рухавік, роўная:

А = Q ₁ - Q _2,

дзе Q ₁ - колькасць цеплыні, якое атрымана ад награвальніка, а Q ₂ - колькасць цеплыні, якое аддадзена халадзільніка.
ККД цеплавой машыны называецца стаўленне працы А, якую выконвае рухавік, да колькасці цеплыні, якое атрымана ад награвальніка:

η = А / Q = (Q ₁ - Q ₂₎ / Q ₁ = 1 - Q ₂ / Q _1.

У працы «Думкі аб рухаючай сіле агню і пра машыны, якія здольныя развіваць гэтую сілу» (1824) Карно апісаў цеплавую машыну пад назвай "ідэальная цеплавая машына з ідэальным газам, які ўяўляе сабой рабочае цела". Дзякуючы законах тэрмадынамікі можна вылічыць ККД (максімальна магчымы) цеплавога рухавіка з награвальнікам, які мае тэмпературу Т _1, і халадзільнікам з тэмпературай Т _2. Цеплавая машына Карно мае ККД:

_η max = (T ₁ - T ₂₎ / T ₁ = 1 - T ₂ / T _1.

Садзі Карно даказаў, што якая заўгодна цеплавая машына рэальная, якая працуе з награвальнікам з тэмпературай Т ₁ і халадзільнікам з тэмпературай Т ₂ не здольная мець ККД, які б перавышаў ККД цеплавой машыны (ідэальнай).

Рухавік унутранага згарання (ДВС)

Чатырохтактны ДВС складаецца з аднаго або некалькіх цыліндраў, поршня, крывашыпна-шатунного механізму, впускного і выпускнога клапанаў, свечкі.

Працоўны цыкл складаецца з чатырох тактаў:

1) засмоктвання - гаручая сумесь трапляе праз клапан у цыліндр;
2) сціску - абодва клапана зачыненыя;
3) працоўны ход - выбуховае згаранне гаручай сумесі;
4) выхлап - выпуск адпрацаваных газаў у атмасферу.

паравая турбіна

У паравой турбіне пераўтварэнне энергіі адбываецца за кошт розніцы ціскаў вадзянога пара на ўваходзе і выхадзе.
Магутнасці сучасных паравых турбін дасягаюць 1300 МВт.

Некаторыя тэхнічныя параметры паравой турбіны магутнасцю 1200 МВт

• Ціск пара (свежага) - 23,5 Мпа.
• Тэмпература пару - 540 ° С.
• Выдатак пару турбінай - 3600 т / ч.
• Частата кручэння ротара - 3000 аб / мін.
• Ціск пару ў кандэнсатары - 3,6 кпа.
• Даўжыня турбіны - 47,9 м.
• Маса турбіны - 1900 т.

Цеплавая машына складаецца з паветранага кампрэсара, камеры згарання і газавай турбіны. Прынцып працы: паветра Адыябатны засмоктваецца ў кампрэсар, таму яго тэмпература падвышаецца да 200 ° С і больш. Далей сціснутае паветра трапляе ў камеру згарання, куды адначасова пад вялікім ціскам паступае вадкае паліва - газа, фотог, мазут. Пры згаранні паліва паветра награваецца да тэмпературы 1500-2000 ° С, пашыраецца, і хуткасць яго руху расце. Паветра рухаецца з вялікай хуткасцю, і прадукты згарання накіроўваюцца ў турбіну. Пасля пераходу ад прыступкі да прыступкі прадукты згарання аддаюць лопасцяў турбіны сваю кінэтычную энергію. Частка энергіі, атрыманай турбінай, ідзе на кручэнне кампрэсара; астатняя частка расходуецца на кручэнне ротара электрагенератара, шрубы самалёта або марскога судна, колаў аўтамабіля.

Газавую турбіну можна выкарыстоўваць, акрамя кручэння колаў аўтамабіля і шруб самалёта або цеплахода, у якасці рэактыўнага рухавіка. Паветра і прадукты згарання з вялікай хуткасцю выкідваюцца з газавай турбіны, таму рэактыўная цяга, якая ўзнікае пры гэтым працэсе, можа выкарыстоўвацца для ходу паветраных (самалёт) і водных (цеплаход) судоў, чыгуначнага транспарту. Напрыклад, турбавінтавыя рухавікі маюць самалёты Ан-24, Ан-124 ( «Руслан»), Ан-225 ( «Мара»). Так, «Мара» пры хуткасці палёту 700-850 км / ч здольная перавозіць 250 тон грузу на адлегласць амаль 15 000 км. Гэта найбуйнейшы транспартны самалёт у свеце.

Экалагічныя праблемы цеплавых машын

Вялікі ўплыў на клімат мае стан атмасферы, у прыватнасці наяўнасць вуглякіслага газу і вадзяной пары. Так, змена ўтрымання вуглякіслага газу прыводзіць да ўзмацнення або паслаблення парніковага эфекту, пры якім вуглякіслы газ часткова паглынае цяпло, якое Зямля выпраменьвае ў космас, затрымлівае яго ў атмасферы і павышае тым самым тэмпературу паверхні і ніжніх слаёў атмасферы. З'ява парніковага эфекту гуляе вырашальную ролю ў змякчэнні клімату. Пры яго адсутнасці сярэдняя тэмпература планеты была б не + 15 ° С, а ніжэй на 30-40 ° С.

Зараз у свеце існуе больш за 300 млн рознага выгляду аўтамабіляў, якія ствараюць больш за палову ўсіх забруджванняў атмасферы.

За 1 год у атмасферу з цеплавых электрастанцый у выніку спальвання паліва вылучаецца 150 млн тон аксідаў серы, 50 млн тон аксіду азоту, 50 млн тон попелу, 200 млн тон аксіду вугляроду, 3 млн тон феона.

У склад атмасферы ўваходзіць азон, які абараняе ўсё жывое на зямлі ад пагібельнага ўздзеяння ўльтрафіялетавых прамянёў. У 1982 году Дж. Фарманом, ангельскай даследчыкам, над Антарктыдай была адкрыта азонавая дзірка - часовае зніжэнне ўтрымання азону ў атмасферы. У момант максімальнага развіцця азонавай дзіркі 7 кастрычніка 1987 колькасць азону ў ёй зменшылася ў 2 разы. Азонавая дзірка, верагодна, паўстала ў выніку антрапагенных фактараў, у тым ліку выкарыстання ў прамысловасці хлорсодержащих хладон (фреонов), якія руйнуюць азонавы пласт. Аднак даследаванні 1990 гг. не пацвердзілі гэты пункт гледжання. Хутчэй за ўсё, з'яўленне азонавай дзюры не звязана з дзейнасцю чалавека і з'яўляецца натуральным працэсам. У 1992 годзе і над Арктыкай была адкрыта азонавая дзірка.

Калі ўвесь атмасферны азон сабраць у пласт у паверхні Зямлі і згусціў яго да шчыльнасці паветра пры нармальным атмасфэрным ціску і тэмпературы 0 ° С, то таўшчыня азонавага шчыта будзе ўсяго толькі 2-3 мм! Вось і ўвесь шчыт.

Трохі з гісторыі ...

• Ліпень 1769 года. У парыжскім парку Медоне ваенны інжынер Н. Ж. Кюньйо на «вогненнай возе», якая была абсталявана двухцилиндровым паравым рухавіком, праехаў некалькі дзесяткаў метраў.
• 1885 год. Карл Бенц, нямецкі інжынер, пабудаваў першы бензінавы чатырохтактны трохколавы аўтамабіль Motorwagen магутнасцю 0,66 кВт, на які 29 студзеня 1886 гады атрымаў патэнт. Хуткасць машыны дасягала 15-18 км / ч.
• 1891 год. Готліб Даймлер, нямецкі вынаходнік, вырабіў грузавую каляску з рухавіком магутнасцю 2,9 кВт (4 конскія сілы) ад легкавога аўтамабіля. Максімальная хуткасць аўтамабіля дасягала 10 км / г, грузападымальнасць ў розных мадэлях складала ад 2 да 5 тон.
• 1899 год. Бельгіец К. Женатци на сваім аўтамабілі «Жаме Контант» ( «Заўсёды незадаволеная») упершыню пераадолеў 100-кіламетровы мяжу хуткасці.

Прыклады рашэння задач

Задача 1. Тэмпературу нагревателя ідэальная цеплавая машына мае роўную 2000 Да, а тэмпературу халадзільніка - 100 ° С. Вызначыць ККД.

рашэнне:
Формула, якая вызначае ККД цеплавой машыны (максімальны):

ŋ = Т ₁ -Т ₂ / Т _1.
ŋ = (2000К - 373К) / 2000 Да = 0,81.

Адказ: ККД рухавіка - 81%.

Задача 2. У цеплавым рухавіку пры згаранні паліва было атрымана 200 кДж цеплыні, а халадзільніка перададзена 120 кДж цеплыні. Які ККД рухавіка?

рашэнне:
Формула для вызначэння ККД мае такі выгляд:

ŋ = Q1 - Q2 / Q1.
ŋ = (2 × 10 ⁵ Дж - 1,2 × 10 ⁵ Дж) / 2 × 10 ⁵ Дж = 0,4.

Адказ: ККД цеплавога рухавіка - 40%.

Задача 3. Які ККД цеплавой машыны, калі рабочае цела пасля атрымання ад награвальніка колькасці цеплыні 1,6 МДж выканала працу 400 кДж? Якая колькасць цеплыні было перададзена халадзільніка?

рашэнне:
ККД можна вызначыць па формуле

ŋ = А / Q _1.

ŋ = 0,4 × 10 ⁶ Дж / 1,6 × 10 ⁶ Дж = 0,25.

Перададзенае халадзільніка колькасць цеплыні можна вызначыць па формуле

Q ₁ - А = Q _2.
Q ₂ = 1,6 × 10 ⁶ Дж - 0,4 × 10 ⁶ Дж = 1,2 × 10 ⁶ Дж.
Адказ: цеплавая машына мае ККД 25%; перададзенае халадзільніка колькасць цеплыні - 1,2 × 10 ⁶ Дж.