Заманауи шындық жылу қозғалтқыштарын кеңінен қолдануды білдіреді. Оларды электр қозғалтқыштарына ауыстырудың көптеген әрекеттері осы уақытқа дейін сәтсіз аяқталды. Автономды жүйелерде электр энергиясының жинақталуына байланысты мәселелер үлкен қиындықпен шешіледі.
Электрлік батареяларды өндіру технологиясының мәселелері олардың ұзақ мерзімді пайдалануын ескере отырып, әлі де өзекті болып табылады. Электрлік көліктердің жылдамдық сипаттамалары іштен жану қозғалтқыштары бар автомобильдерге қарағанда өте алыс.
Гибридті қозғалтқыштарды жасау жолындағы алғашқы қадамдар мегаполистердегі зиянды шығарындыларды айтарлықтай азайтып, экологиялық мәселелерді шеше алады.
Біраз тарих
Бу энергиясын қозғалыс энергиясына айналдыру мүмкіндігі ертеде белгілі болған. 130 ж.: Александрияның философы Герон көрермендерге бу ойыншығы - аэолипилді ұсынды. Бумен толтырылған шар одан шыққан ағындардың әсерінен айнала бастады. Заманауи бу турбиналарының бұл прототипі ол күндері пайдаланылмаған.
Көп жылдар және ғасырлар бойы философтың дамуы жай ғана көңілді ойыншық болып саналды. 1629 жылы итальяндық Д. Бранчи белсенді турбинаны жасады. бу бағыттадыпышақтармен жабдықталған дискіні қозғалысқа келтіріңіз.
Осы кезден бастап бу машиналарының қарқынды дамуы басталды.
Жылу қозғалтқышы
Отынның ішкі энергиясын машиналар мен механизмдердің бөліктерінің қозғалыс энергиясына түрлендіру жылу машиналарында қолданылады.
Машиналардың негізгі бөліктері: қыздырғыш (сырттан энергия алуға арналған жүйе), жұмыс сұйықтығы (пайдалы әрекетті орындайды), тоңазытқыш.
Қыздырғыш жұмыс сұйықтығының пайдалы жұмысты орындау үшін жеткілікті ішкі энергия қорын жинақтауын қамтамасыз етуге арналған. Тоңазытқыш артық қуатты кетіреді.
ПӘК негізгі сипаттамасы жылу қозғалтқыштарының ПӘК деп аталады. Бұл мән жылытуға жұмсалған энергияның қандай бөлігі пайдалы жұмысты орындауға жұмсалатынын көрсетеді. Тиімділік неғұрлым жоғары болса, машинаның жұмысы соғұрлым тиімді болады, бірақ бұл мән 100% аспауы керек.
Тиімділік коэффициентін есептеу
Қызғышқа сырттан Q1 тең қуат алуға мүмкіндік беріңіз. Тоңазытқышқа берілген қуат Q2 болған кезде жұмыс органы А жұмысын орындады.
Анықтама негізінде тиімділікті есептеңіз:
η=A / Q1. A=Q1 - Q2.
Демек, жылу машинасының ПӘК-і, формуласы η=(Q1 - Q2)/ Q 1=1 - Q2/ Q1, келесі қорытындыларды жасауға мүмкіндік береді:
- Тиімділік 1-ден (немесе 100%) аспауы керек;
- осы мәнді ұлғайту үшін сізге қажетқыздырғыштан алынатын қуатты арттыру немесе тоңазытқышқа берілетін қуатты азайту;
- жылытқыштың энергиясын арттыру отынның сапасын өзгерту арқылы жүзеге асырылады;
- тоңазытқышқа берілетін энергияны азайта отырып, қозғалтқыштардың дизайн ерекшеліктеріне қол жеткізуге мүмкіндік береді.
Идеал жылу қозғалтқышы
ПӘК-і максималды болатын мұндай қозғалтқышты жасауға болады ма (идеалды - 100% тең? Бұл сұрақтың жауабын француз физик-теореті және дарынды инженер Сади Карно іздеп көрді. 1824 жылы оның газдарда болатын процестер туралы теориялық есептеулері көпшілікке жарияланды.
Идеал машинаның негізгі идеясы - идеал газбен қайтымды процестерді жүзеге асыру. Біз T1 температурада газдың изотермиялық кеңеюінен бастаймыз. Ол үшін қажетті жылу мөлшері Q1. Кейін газ жылу алмасусыз кеңейеді (адиабаталық процесс). Т2 температурасына жеткеннен кейін газ изотермиялық түрде қысылып, Q2 тоңазытқышқа тасымалданады. Газдың бастапқы күйіне оралуы адиабаталық.
Идеал Карно жылу қозғалтқышының ПӘК-і дәл есептелген кезде қыздыру және салқындату құрылғылары арасындағы температура айырмашылығының қыздырғыштағы температураға қатынасына тең. Ол келесідей көрінеді: η=(T1 - T2)/ T1.
Формуласы: η=1 - Т2/ T болатын жылу қозғалтқышының мүмкін ПӘК 1 , тек мынаған байланыстықыздырғыш пен салқындатқыштың температурасы және 100% аспауы керек.
Сонымен қатар, бұл қатынас тоңазытқыш абсолютті нөлдік температураға жеткенде ғана жылу машиналарының ПӘК бірлікке тең болатынын дәлелдеуге мүмкіндік береді. Өздеріңіз білетіндей, бұл мәнге қол жеткізу мүмкін емес.
Карноның теориялық есептеулері кез келген конструкциядағы жылу қозғалтқышының максималды тиімділігін анықтауға мүмкіндік береді.
Карно дәлелдеген теорема келесідей. Ерікті жылу қозғалтқышы ешбір жағдайда идеалды жылу қозғалтқышының бірдей ПӘК-інен жоғары тиімділікке ие бола алмайды.
Есептерді шешу мысалы
Мысал 1. Қыздырғыштың температурасы 800оС, ал тоңазытқыш температурасы 500о болса, идеалды жылу қозғалтқышының ПӘК-і қандай болады?Төменнен?
T1=800oC=1073 K, ∆T=500o C=500 К, η - ?
Шешімі:
Анықтамасы бойынша: η=(T1 - T2)/ T1.
Бізге тоңазытқыштың температурасы берілмейді, бірақ ∆T=(T1 - T2), демек:
η=∆T / T1=500 K/1073 K=0, 46.
Жауап: Тиімділік=46%.
Мысал 2. Идеал жылу машинасының ПӘК-ін анықтаңыз, егер жылытқыштың сатып алынған килоджоуль энергиясының есебінен 650 Дж пайдалы жұмыс орындалса, салқындатқыштың температурасы 400 К болса, жылу машинасының қыздырғышының температурасы қандай болады?
Q1 =1 кДж=1000 Дж, A=650 Дж, T2=400 К, η - ?, T 1 =?
Шешімі:
Бұл мәселеде біз жылу қондырғысы туралы айтып отырмыз, оның тиімділігін формула бойынша есептеуге болады:
η=A / Q1.
Қызғыштың температурасын анықтау үшін идеалды жылу машинасының ПӘК формуласын қолданамыз:
η=(T1 - T2)/ T1 =1 - T2/ T1.
Математикалық түрлендірулерді орындағаннан кейін біз мынаны аламыз:
T1=T2 /(1- η).
T1=T2 /(1- A / Q1).
Есептеу:
η=650 Дж/ 1000 Дж=0,65.
T1=400 К /(1- 650 Дж/ 1000 Дж)=1142,8 К.
Жауап: η=65%, T1=1142, 8 K.
Нақты шарттар
Идеал жылу қозғалтқышы тамаша процестерді ескере отырып жасалған. Жұмыс тек изотермиялық процестерде орындалады, оның мәні Карно циклінің графигімен шектелген аудан ретінде анықталады.
Шын мәнінде, температураның өзгеруінсіз газ күйінің өзгеру процесіне жағдай жасау мүмкін емес. Айналадағы заттармен жылу алмасуды болдырмайтын материалдар жоқ. Адиабаталық процесс енді мүмкін емес. Жылу алмасу жағдайында газдың температурасы міндетті түрде өзгеруі керек.
Нақты жағдайда жасалған жылу қозғалтқыштарының ПӘК идеалды қозғалтқыштардың ПӘК-інен айтарлықтай ерекшеленеді. Нақты қозғалтқыштардағы процестердің өзгеретіні соншалықты жылдам екенін ескеріңізоның көлемін өзгерту процесінде жұмысшы заттың ішкі жылу энергиясы қыздырғыштан келетін және тоңазытқышқа қайтарылатын жылу ағынымен өтелмейді.
Басқа жылу қозғалтқыштары
Нағыз қозғалтқыштар әртүрлі циклдарда жұмыс істейді:
- Отто циклі: тұрақты көлемдегі процесс адиабатты түрде өзгеріп, тұйық цикл жасайды;
- Дизельдік цикл: изобар, адиабат, изохор, адиабат;
- газ турбинасы: тұрақты қысым процесі циклді жабатын адиабатаға ауысады.
Қазіргі технология жағдайында нақты қозғалтқыштарда тепе-теңдік процестерін құру (оларды идеалдыға жақындату) мүмкін емес. Жылу қозғалтқыштарының тиімділігі, тіпті идеалды термоқондырғыдағыдай температуралық жағдайларды ескере отырып, әлдеқайда төмен.
Бірақ Карно циклінің тиімділігін есептеу формуласының рөлін төмендетпеу керек, өйткені дәл осы формула нақты қозғалтқыштардың тиімділігін арттыру бойынша жұмыс процесінде бастапқы нүктеге айналады.
Тиімділікті өзгерту жолдары
Идеалды және нақты жылу қозғалтқыштарын салыстыру кезінде соңғысының тоңазытқышының температурасы ешбір болуы мүмкін емес екенін ескерген жөн. Әдетте атмосфера тоңазытқыш болып саналады. Атмосфераның температурасын шамамен есептеулермен ғана алуға болады. Тәжірибе көрсеткендей, салқындату сұйықтығының температурасы ішкі жану қозғалтқыштарындағыдай (қысқаша ICE) қозғалтқыштардағы пайдаланылған газдардың температурасына тең.
ICE - біздің әлемдегі ең көп таралған жылу қозғалтқышы. жылу тиімділігімашина бұл жағдайда жанармайдың жануынан туындаған температураға байланысты. Ішкі жану қозғалтқышы мен бу қозғалтқыштары арасындағы маңызды айырмашылық ауа-отын қоспасында қыздырғыш пен құрылғының жұмыс сұйықтығының функцияларын біріктіру болып табылады. Жану кезінде қоспа қозғалтқыштың қозғалатын бөліктеріне қысым жасайды.
Жұмысшы газдардың температурасын жоғарылату отынның қасиеттерін айтарлықтай өзгерту арқылы жүзеге асады. Өкінішке орай, мұны шексіз орындау мүмкін емес. Қозғалтқыштың жану камерасы жасалған кез келген материалдың өзінің балқу температурасы бар. Мұндай материалдардың ыстыққа төзімділігі қозғалтқыштың негізгі сипаттамасы болып табылады, сонымен қатар тиімділікке айтарлықтай әсер ету мүмкіндігі.
Мотор тиімділік мәндері
Егер кірістегі жұмыс буының температурасы 800 К, ал пайдаланылған газ 300 К болатын бу турбинасын қарастырсақ, онда бұл машинаның ПӘК 62% құрайды. Іс жүзінде бұл көрсеткіш 40% аспайды. Мұндай төмендеу турбина корпусын қыздырған кезде жылу жоғалтуына байланысты болады.
Іштен жанатын қозғалтқыштардың ең жоғары ПӘК 44%-дан аспайды. Бұл құндылықты арттыру таяу болашақтың ісі. Материалдардың, жанармайлардың қасиеттерін өзгерту - адамзаттың ең жақсы ақыл-ойлары айналысатын мәселе.
