Машиналардың көптеген түрлерінің жұмысы жылу қозғалтқышының ПӘК сияқты маңызды көрсеткішпен сипатталады. Жыл сайын инженерлер жанармай шығыны төмен болса, оны пайдаланудан максималды нәтиже беретін жетілдірілген жабдық жасауға ұмтылады.
Жылу қозғалтқышы құрылғысы
Тиімділіктің не екенін түсінбес бұрын, бұл механизм қалай жұмыс істейтінін түсіну керек. Оның әрекет ету принциптерін білмей, бұл көрсеткіштің мәнін білу мүмкін емес. Жылу қозғалтқышы - бұл ішкі энергияны пайдаланып жұмыс істейтін құрылғы. Жылу энергиясын механикалық энергияға айналдыратын кез келген жылу қозғалтқышы температураның жоғарылауымен заттардың жылулық кеңеюін пайдаланады. Қатты денелі қозғалтқыштарда заттың көлемін ғана емес, дененің пішінін де өзгертуге болады. Мұндай қозғалтқыштың жұмысы термодинамика заңдарына бағынады.
Жұмыс принципі
Жылу қозғалтқышы қалай жұмыс істейтінін түсіну үшін оның негіздерін қарастыру қажетоның дизайндары. Құрылғының жұмыс істеуі үшін екі корпус қажет: ыстық (жылытқыш) және суық (тоңазытқыш, салқындатқыш). Жылу қозғалтқыштарының жұмыс істеу принципі (жылу қозғалтқыштарының ПӘК) олардың түріне байланысты. Көбінесе бу конденсаторы тоңазытқыштың рөлін атқарады, ал пеште жанатын отынның кез келген түрі қыздырғыш ретінде әрекет етеді. Идеал жылу қозғалтқышының ПӘК келесі формула бойынша табылады:
Тиімділік=(Тауарлау - Салқындату)/ Көру. x 100%.
Сонымен бірге нақты қозғалтқыштың ПӘК ешқашан осы формула бойынша алынған мәннен асып кете алмайды. Сондай-ақ, бұл көрсеткіш ешқашан жоғарыда көрсетілген мәннен аспайды. Тиімділікті арттыру үшін көбінесе жылытқыштың температурасын арттырып, тоңазытқыштың температурасын төмендетіңіз. Бұл процестің екеуі де жабдықтың нақты жұмыс жағдайларымен шектеледі.
Жылу қозғалтқышының тиімділігі (формула)
Жылу машинасының жұмысы кезінде жұмыс орындалады, өйткені газ энергияны жоғалта бастайды және белгілі бір температураға дейін салқындайды. Соңғысы әдетте қоршаған атмосферадан бірнеше градус жоғары болады. Бұл тоңазытқыштың температурасы. Мұндай арнайы құрылғы пайдаланылған будың кейіннен конденсациялануымен салқындату үшін арналған. Конденсаторлар бар жерлерде тоңазытқыштың температурасы кейде қоршаған орта температурасынан төмен болады.
Жылу қозғалтқышында дене қызған кезде және кеңейген кезде жұмыс істеуге өзінің барлық ішкі энергиясын бере алмайды. Жылудың бір бөлігі пайдаланылған газдармен немесе бумен бірге тоңазытқышқа беріледі. Бұл бөлікжылулық ішкі энергия сөзсіз жоғалады. Отынның жануы кезінде жұмыс органы қыздырғыштан Q1 белгілі бір мөлшерде жылу алады. Сонымен бірге ол әлі де A жұмысын орындайды, оның барысында ол жылу энергиясының бір бөлігін тоңазытқышқа тасымалдайды: Q2<Q1.
ТИІМДІЛІК энергияны түрлендіру және беру саласындағы қозғалтқыштың тиімділігін сипаттайды. Бұл көрсеткіш жиі пайызбен өлшенеді. Тиімділік формуласы:
ηA/Qx100%, мұнда Q – жұмсалған энергия, A – пайдалы жұмыс.
Энергияның сақталу заңына сүйене отырып, ПӘК әрқашан біреуден аз болады деген қорытынды жасауға болады. Басқаша айтқанда, оған жұмсалған энергиядан артық пайдалы жұмыс ешқашан болмайды.
Қозғалтқыштың тиімділігі пайдалы жұмыстың қыздырғыш беретін энергияға қатынасы. Оны келесі формула ретінде көрсетуге болады:
η=(Q1-Q2)/ Q1, мұнда Q 1 - жылытқыштан алынған жылу, ал Q2 - тоңазытқышқа беріледі.
Жылу қозғалтқышының жұмысы
Жылу машинасының жұмысы келесі формула бойынша есептеледі:
A=|QH| - |QX|, мұндағы A – жұмыс, QH – қыздырғыштан алынатын жылу мөлшері, QX - салқындатқышқа берілетін жылу мөлшері.
Жылу қозғалтқышының тиімділігі (формула):
|QH| - |QX|)/|QH|=1 - |QX|/|QH|
Двигатель атқарған жұмыстың шамасына қатынасына теңжылулық. Бұл тасымалдау кезінде жылу энергиясының бір бөлігі жоғалады.
Карно қозғалтқышы
Жылу қозғалтқышының максималды тиімділігі Карно құрылғысында көрсетілген. Бұл бұл жүйеде тек қыздырғыштың (Тн) және салқындатқыштың (Тх) абсолютті температурасына байланысты болатындығына байланысты. Карно циклі бойынша жұмыс істейтін жылу машинасының ПӘК келесі формуламен анықталады:
(Тн - Тх)/ Тн=- Тх - Тн.
Термодинамика заңдары мүмкін болатын максималды тиімділікті есептеуге мүмкіндік берді. Бұл көрсеткішті алғаш рет француз ғалымы және инженері Сади Карно есептеді. Ол идеалды газбен жұмыс істейтін жылу машинасын ойлап тапты. Ол 2 изотерма және 2 адиабат циклінде жұмыс істейді. Оның жұмыс істеу принципі өте қарапайым: қыздырғыш контактісі ыдысқа газбен жеткізіледі, нәтижесінде жұмыс сұйықтығы изотермиялық түрде кеңейеді. Сонымен бірге ол жұмыс істейді және белгілі бір жылу мөлшерін алады. Ыдыс жылу оқшаулаудан кейін. Осыған қарамастан, газ кеңеюін жалғастыруда, бірақ қазірдің өзінде адиабатты түрде (қоршаған ортамен жылу алмасусыз). Осы уақытта оның температурасы тоңазытқышқа дейін төмендейді. Осы сәтте газ тоңазытқышпен байланыста болады, соның нәтижесінде оған изометриялық қысу кезінде белгілі бір жылу мөлшерін береді. Содан кейін ыдыс қайтадан жылу оқшауланады. Бұл жағдайда газ бастапқы көлемі мен күйіне дейін адиабатты түрде сығылады.
Сұрттар
Біздің заманымызда әртүрлі принциптерде және әртүрлі отынмен жұмыс істейтін жылу қозғалтқыштарының көптеген түрлері бар. Олардың барлығының өзіндік тиімділігі бар. Оларға жатадыкелесі:
• Жанып жатқан отынның химиялық энергиясының бір бөлігі механикалық энергияға айналатын механизм болып табылатын іштен жанатын қозғалтқыш (поршень). Мұндай құрылғылар газ және сұйық болуы мүмкін. 2 тактілі және 4 тактілі қозғалтқыштар бар. Олардың үздіксіз жұмыс циклі болуы мүмкін. Жанармай қоспасын дайындау әдісіне сәйкес мұндай қозғалтқыштар карбюраторлы (сыртқы қоспасы бар) және дизельді (ішкі қозғалтқышы бар) болып табылады. Энергия түрлендіргіштердің түрлері бойынша олар поршенді, реактивті, турбиналық, құрама болып бөлінеді. Мұндай машиналар тиімділігі 0,5 аспайды.
• Стирлинг қозғалтқышы – жұмыс сұйықтығы жабық кеңістікте болатын құрылғы. Бұл сыртқы жану қозғалтқышының бір түрі. Оның жұмыс істеу принципі дененің көлемінің өзгеруіне байланысты энергияны өндірумен мезгіл-мезгіл салқындату/жылытуға негізделген. Бұл ең тиімді қозғалтқыштардың бірі.
• Отынның сыртқы жануы бар турбиналық (айналмалы) қозғалтқыш. Мұндай қондырғылар көбінесе жылу электр станцияларында кездеседі.
• Турбиналық (айналмалы) ICE ең жоғары режимде жылу электр станцияларында қолданылады. Басқалар сияқты жиі емес.
• Турбовинтті қозғалтқыш әуе винтінің әсерінен күштің бір бөлігін жасайды. Қалғаны пайдаланылған газдардан алынады. Оның конструкциясы - айналмалы қозғалтқыш (газ турбинасы), оның білігіне винт орнатылған.
Жылу қозғалтқыштарының басқа түрлері
• Кері соққыдан итерілетін зымыран, турбореактивті және реактивті қозғалтқыштарпайдаланылған газдар.
• Қатты күйдегі қозғалтқыштар отын ретінде қатты заттарды пайдаланады. Жұмыс кезінде оның көлемі емес, пішіні өзгереді. Жабдықтың жұмысы өте төмен температура айырмашылығын пайдаланады.
Тиімділікті қалай жақсартуға болады
Жылу қозғалтқышының ПӘК-ін арттыруға болады ма? Жауапты термодинамикадан іздеу керек. Ол энергияның әртүрлі түрлерінің өзара түрленуін зерттейді. Барлық қолда бар жылу энергиясын электрлік, механикалық және т.б. түрлендіру мүмкін емес екені анықталды. Сонымен бірге олардың жылу энергиясына айналуы ешқандай шектеусіз жүреді. Бұл жылу энергиясының табиғаты бөлшектердің ретсіз (хаотикалық) қозғалысына негізделгеніне байланысты мүмкін.
Дене қаншалықты қызса, оны құрайтын молекулалар соғұрлым жылдамырақ қозғалады. Бөлшектердің қозғалысы одан да тұрақсыз болады. Сонымен қатар, тапсырыс оңай хаосқа айналуы мүмкін екенін бәрі біледі, бұл тапсырыс беру өте қиын.
