Жылу қозғалтқышы: цикл, жұмыс, тиімділік. Жылу машиналарының экологиялық мәселелері. Идеал жылу қозғалтқышы қандай?

2024 Автор: Angel Austin | [email protected]. Соңғы өзгертілген: 2023-12-17 05:33

Өндірісте механикалық энергияны пайдалану қажеттілігі жылу қозғалтқыштарының пайда болуына әкелді.

Жылу қозғалтқыштарының дизайны

Жылу қозғалтқышы (жылу қозғалтқышы) - ішкі энергияны механикалық энергияға түрлендіруге арналған құрылғы.

Кез келген жылу машинасының қыздырғышы, жұмыс сұйықтығы (газ немесе бу) бар, ол қыздыру нәтижесінде жұмысты орындайды (турбина білігін айналдырады, поршеньді жылжытады және т.б.) және тоңазытқыш. Төмендегі суретте жылу қозғалтқышының диаграммасы көрсетілген.

Жылу қозғалтқыштарының негіздері

Әр жылу қозғалтқышы қозғалтқыштың арқасында жұмыс істейді. Жұмысты орындау үшін оған қозғалтқыш поршеньінің немесе турбинаның қалақтарының екі жағында қысым айырмашылығы болуы керек. Бұл айырмашылық барлық жылу машиналарында келесідей қол жеткізіледі: жұмыс сұйықтығының температурасы қоршаған орта температурасымен салыстырғанда жүздеген немесе мыңдаған градусқа көтеріледі. Газ турбиналарында және іштен жанатын қозғалтқыштарда (ICE) температура отынның қозғалтқыштың ішінде жануынан жоғарылайды. Тоңазытқыш атмосфера немесе пайдаланылған буды конденсациялауға және салқындатуға арналған арнайы құрылғы болуы мүмкін.

Карно циклы

Цикл (дөңгелек процесс) – газ күйінің өзгеруінің жиынтығы, нәтижесінде ол бастапқы күйіне оралады (жұмыс істей алады). 1824 жылы француз физигі Сади Карно изотермиялық және адиабаттық деген екі процесстен тұратын жылу қозғалтқышының циклі (Карно циклі) тиімді екенін көрсетті. Төмендегі суретте Карно циклінің графигі көрсетілген: 1-2 және 3-4 - изотермалар, 2-3 және 4-1 - адиабаттар.

Энергияның сақталу заңына сәйкес қозғалтқыш атқаратын жылу машиналарының жұмысы:

А=Q₁– Q₂, мұндағы Q₁ - қыздырғыштан алынатын жылу мөлшері және Q₂ - тоңазытқышқа жеткізілетін жылу мөлшері. Жылу машинасының ПӘК – бұл қозғалтқыш орындаған А жұмысының қыздырғыштан алынған жылу мөлшеріне қатынасы:

η=A/Q=(Q₁– Q₂)/Q₁ =1 - Q₂/Q₁.

«Оттың қозғаушы күші және осы күшті дамытуға қабілетті машиналар туралы ойлар» (1824) еңбегінде Карно «идеал газы бар идеалды жылу қозғалтқышы» деп аталатын жылу машинасын сипаттады. жұмыс сұйықтығы». Термодинамика заңдарының арқасында жылытқышы бар жылу машинасының ПӘК-ін (максималды мүмкін) есептеуге болады.температурасы T₁ және T₂ температурасы бар тоңазытқыш. Карно жылу қозғалтқышының тиімділігі бар:

η_max=(T₁ – T₂)/T 1_{=1 – T}2_/T1.

Сади Карно кез келген жылу қозғалтқышының шынайы екенін дәлелдеді, ол T₁ температурасы бар жылытқышпен және температурасы T_{2 тоңазытқышпен жұмыс істейді.} жылу қозғалтқышының ПӘК-нен асатын тиімділікке ие бола алмайды (идеалды).

Іштен жану қозғалтқышы (ICE)

Төрт тактілі іштен жану қозғалтқышы бір немесе бірнеше цилиндрлерден, поршеньдерден, иінді механизмнен, қабылдау және шығару клапандарынан, шамдардан тұрады.

Жұмыс циклі төрт циклден тұрады:

1) сору - жанғыш қоспа цилиндрге клапан арқылы түседі;

2) сығымдау - екі клапан да жабық;

3) жұмыс инсульт - жанғыш қоспаның жарылыспен жануы;

4) пайдаланылған газдар – атмосфераға пайдаланылған газдардың шығуы.

Бу турбинасы

Бу турбинасында энергия кіріс және шығыс су буының қысымының айырмашылығына байланысты түрленеді.

Қазіргі бу турбиналарының қуаттылығы 1300 МВт-қа жетеді.

1200 МВт бу турбинасының кейбір техникалық параметрлері

• Бу қысымы (жаңа) - 23,5 МПа.
• Бу температурасы - 540 °C.
• Турбиналық бу шығыны - 3600 т/сағ.
• Ротор жылдамдығы - 3000 айн/мин.
• Конденсатордағы бу қысымы 3,6 кПа.
• Турбинаның ұзындығы - 47,9 м.
• Турбинаның салмағы - 1900 т.

Жылу қозғалтқышы ауа компрессорынан, жану камерасынан және газ турбинасынан тұрады. Жұмыс принципі: ауа компрессорға адиабатты түрде сорылады, сондықтан оның температурасы 200 ° C немесе одан да жоғары көтеріледі. Содан кейін сығылған ауа жану камерасына түседі, мұнда бір уақытта сұйық отын - керосин, фотоген, мазут жоғары қысыммен түседі. Жанармай жанған кезде ауа 1500-2000 ° C температураға дейін қызады, кеңейеді, оның жылдамдығы артады. Ауа жоғары жылдамдықпен қозғалады, ал жану өнімдері турбинаға жіберіледі. Кезеңнен сатыға өткеннен кейін жану өнімдері өзінің кинетикалық энергиясын турбина қалақтарына береді. Турбина алатын энергияның бір бөлігі компрессордың айналуына кетеді; қалған бөлігі электр генераторының роторының, ұшақтың немесе теңіз кемесінің винтінің, автомобильдің дөңгелектерінің айналуына жұмсалады.

Газ турбинасын реактивті қозғалтқыш ретінде автомобильдің дөңгелектері мен ұшақтың немесе кеменің бұрандаларын айналдырудан басқа пайдалануға болады. Ауа және жану өнімдері газ турбинасынан жоғары жылдамдықпен шығарылады, сондықтан бұл процесс кезінде пайда болатын реактивті соққыны әуе (ұшақ) және су (кеме) кемелерін және теміржол көлігін жүргізу үшін пайдалануға болады. Мысалы, Ан-24, Ан-124 («Руслан»), Ан-225 («Арман») ұшақтарында турбовинтті қозғалтқыштар бар. Сонымен, 700-850 км/сағ ұшу жылдамдығымен «Арман» шамамен 15 000 км қашықтыққа 250 тонна жүкті тасымалдауға қабілетті. Бұл әлемдегі ең үлкен көлік ұшағы.

Жылу қозғалтқыштарының экологиялық мәселелері

Климатқа үлкен әсер етедіатмосфераның күйі, атап айтқанда көмірқышқыл газы мен су буының болуы. Осылайша, көмірқышқыл газының құрамының өзгеруі парниктік әсердің жоғарылауына немесе төмендеуіне әкеледі, онда көмірқышқыл газы Жердің ғарышқа тарайтын жылуын ішінара сіңіреді, оны атмосферада сақтайды және сол арқылы жер бетінің температурасын арттырады және атмосфераның төменгі қабаттары. Парниктік эффект феномені климатты азайтуда шешуші рөл атқарады. Ол болмағанда планетаның орташа температурасы +15 °С болмай, 30-40 °С төмен болар еді.

Қазір әлемде 300 миллионнан астам әртүрлі көлік түрлері бар, олар ауаның барлық ластануының жартысынан көбін жасайды.

1 жыл ішінде жылу электр станцияларынан атмосфераға 150 млн тонна күкірт оксиді, 50 млн тонна азот оксиді, 50 млн тонна күл, 200 млн тонна көміртек оксиді, 3 млн тонна феон бөлінеді. отынның жануы нәтижесінде.

Атмосферада жер бетіндегі барлық тіршілікті ультракүлгін сәулелердің зиянды әсерінен қорғайтын озон бар. 1982 жылы ағылшын зерттеушісі Дж. Фарман Антарктиданың үстінде озон тесігін ашты – атмосферадағы озон мөлшерінің уақытша төмендеуі. 1987 жылы 7 қазанда озон тесігінің максималды дамуы кезінде ондағы озон мөлшері 2 есе азайды. Озон тесігі антропогендік факторлардың, соның ішінде озон қабатын бұзатын хлоры бар фреондарды (фреондарды) өнеркәсіпте пайдалану нәтижесінде пайда болған болуы мүмкін. Дегенмен, 1990 жылдардағы зерттеулер бұл пікірді қолдамады. Озон тесігі болуы мүмкінадам әрекетімен байланысты емес және табиғи процесс. 1992 жылы Арктиканың үстінде де озон тесігі табылды.

Егер барлық атмосфералық озон Жер бетіне жақын қабатта жиналса және қалыпты атмосфералық қысымда және 0 °C температурада ауаның тығыздығына дейін қалыңдатылса, онда озон қалқанының қалыңдығы 2-3 ғана болады. мм! Бұл бүкіл қалқан.

Біраз тарих…

• 1769 жылғы шілде. Әскери инженер Н. Дж. Куньо Париждегі Меудон саябағында екі цилиндрлі бу қозғалтқышымен жабдықталған «өрт арбасымен» бірнеше ондаған метр жол жүрді.
• 1885. Неміс инженері Карл Бенц 1886 жылы 29 қаңтарда патент алған, қуаты 0,66 кВт болатын бірінші бензин төрт тактілі үш дөңгелекті Motorwagen автокөлігін жасады. Көліктің жылдамдығы 15-18 км/сағ жетті.
• 1891. Неміс өнертапқышы Готтлиб Даймлер жеңіл автокөліктен 2,9 кВт (4 ат күші) қозғалтқышы бар жүк көлігін жасады. Автокөліктің максималды жылдамдығы сағатына 10 км-ге жетті, әртүрлі модельдердегі жүк көтергіштігі 2 тоннадан 5 тоннаға дейін болды.
• 1899. Бельгиялық К. Женаци өзінің «Джеймс Континт» («Әрқашан наразы») көлігімен 100 шақырымдық жылдамдықты алғаш рет кесіп өтті.

Есептерді шешу мысалдары

Мәселе 1. Идеал жылу машинасының қыздырғышының температурасы 2000 К, ал тоңазытқыштың температурасы 100 °C. Тиімділікті анықтаңыз.

Шешімі:

Жылу қозғалтқышының ПӘК-ін анықтайтын формула (максималды):

ŋ=T₁-T₂/T_1.

ŋ=(2000 мың - 373 мың)) / 2000 K=0,81.

Жауап: Қозғалтқыштың өнімділігі 81%.

2-тапсырма. Жанармай жану кезінде жылу машинасында 200 кДж жылу алынды, ал тоңазытқышқа 120 кДж жылу берілді. Қозғалтқыштың тиімділігі қандай?

Шешімі:

Тиімділікті анықтау формуласы келесідей:

ŋ=Q1 - Q2 / Q1.

ŋ=(2 10⁵ J - 1, 2 10^{5 J) / 2 10}5 ^{J=0, 4.}

Жауабы: Жылу машинасының ПӘК 40%.

3-есеп. Егер жұмыс сұйықтығы қыздырғыштан 1,6 МДж жылу алғаннан кейін 400 орындаса, жылу машинасының ПӘК-і қандай болады? кДж жұмыс? Тоңазытқышқа қанша жылу берілді?

Шешімі:

Тиімділікті

формуласымен анықтауға болады

ŋ=A / Q_1.

ŋ=0,4 10⁶ J / 1,6 10⁶ J=0,25.

Тоңазытқышқа берілетін жылу мөлшерін

формуласы бойынша анықтауға болады.

Q₁ - A=Q_2.

Q₂=1,6 10⁶ J - 0,4 10⁶ J=1,2 10^6J. Жауап: жылу машинасының ПӘК 25%; тоңазытқышқа берілетін жылу мөлшері 1,2 10

6 ^J.