Თერმული მანქანა: ციკლი, ოპერაცია, ეფექტურობა. თერმული მანქანების ეკოლოგიური პრობლემები. რა არის იდეალური თერმული მანქანა?

წარმოების მექანიკური ენერგიის გამოყენების აუცილებლობა თერმული მანქანების წარმოქმნას მოჰყვა.

თერმული დანადგარების მოწყობილობა

თერმული მანქანა (თერმული ძრავა) არის შიდა ენერგიის გარდაქმნა მექანიკური ენერგიის მექანიზმად.

ნებისმიერი თერმული მანქანა აქვს გამათბობელი, სამუშაო ორგანოს (გაზის ან ორთქლის), რაც უზრუნველყოფს გათბობის შედეგად მუშაობას (ტურბინის შახტის ტრანსპორტირებას, დგას პისტონის და ა.შ.) და მაცივარს. ქვემოთ მოცემული დიაგრამა გვიჩვენებს სითბოს ძრავის სქემა.

თერმული ძრავების მოქმედების საფუძვლები

თითოეული თერმული მანქანა ოპერირებს ძრავით. სამუშაოს გასაკეთებლად მას უნდა ჰქონდეს წნევის სხვაობა ძრავის დგუშის ან ტურბინის პირების ორივე მხარეს. ეს სხვაობა მიიღწევა ყველა თერმული ძრავით, შემდეგნაირად: ატმოსფერული ტემპერატურის შედარებით სამუშაო სითხის ტემპერატურა იზრდება ასობით ან ათასობით გრადუსით. გაზის ტურბინებსა და შიგაწვის ძრავებში (ICE), ტემპერატურა იზრდება იმის გამო, რომ საწვავის დაწვა ძრავისაა. მაცივარი შეიძლება ატმოსფერო ან სპეციალური დანიშნულების მოწყობილობა გამოყენებული ორთქლის კონდენსაციის და გაგრილებისათვის.

Carnot ციკლი

ციკლი (წრიული პროცესი) - გაზის სახელმწიფოში ცვლილებების კომპლექტი, რის შედეგადაც ის დაბრუნდება თავდაპირველ სახელმწიფოში (მას შეუძლია მუშაობა). 1824 წელს ფრანგი ფიზიკოსი სადი კარნოტი აჩვენა, რომ სითბოს ძრავის ციკლი (Carnot cycle), რომელიც შედგება ორი პროცესისგან - isothermal და adiabatic, ხელსაყრელია. ქვემოთ მოყვანილი ფიგურა ნაჩვენებია კაროტის ციკლის გრაფაში: 1-2 და 3-4 - იზოთერმები, 2-3 და 4-1 - adiabats.

ენერგიის კონსერვაციის კანონის შესაბამისად, ძრავის მიერ შესრულებული თერმული დანადგარების მუშაობაა:

A = Q ₁ - Q ₂ ,

თუ Q ₁ არის სითბოს რაოდენობა, რომელიც გამაცხელებელია და Q2 არის სითბოს რაოდენობა, რომელიც მიდის მაცივარში.
სითბოს ძრავების ეფექტურობა არის ძრავის მიერ შესრულებული სამუშაოების თანაფარდობა, გამათბობელიდან მიღებული სითხის ოდენობით:

Η = A / Q = (Q ₁ - Q ₂ ) / Q ₁ = 1 - Q ₂ / Q ₁ .

მისი მუშაობის დროს "ცეცხლოვანი მამოძრავებელი ძალა და მექანიზმები, რომლებიც შეიძლება შეიქმნას ამ ძალისზე" (1824). კარნოტმა თერმული მანქანა დაასახელა "იდეალური თბოიზოლაცია იდეალური გაზი, რომელიც სამუშაო სითხეა". თერმოდინამიკის კანონების წყალობით შესაძლებელია სითბოს ძრავების ეფექტურობის (მაქსიმალურად) გამოთვლა გამათბობელთან, რომელსაც გააჩნია ტემპერატურა T ₁ და მაცივარი ტემპერატურა T ₂ . თერმული მანქანა Carnot აქვს ეფექტურობა:

_Max = (T ₁ - T ₂ ) / T ₁ = 1 - T ₂ / T _1.

Sadi Carnot- მა დაამტკიცა, რომ ნებისმიერი თერმული მანქანა რეალურია, რომელიც მუშაობს ტემპერატურის T ₁ ტემპერატურაზე და ტემპერატურის T ₂ ტემპერატურის მქონე მაცივარში _არ არის უნარი, რომ ის ეფექტურობაა, რომელიც აღემატება თბოელექტრონის ეფექტურობას (იდეალური).

შიდა წვის ძრავა (ICE)

ოთხი ინსულტის ICE შედგება ერთი ან რამდენიმე ცილინდრიანი, დგუში, Crank მექანიზმი, მიღება და გამოსაბოლქვი სარქველი და სანთელი.

მოვალეობაა ციკლი ოთხი ციკლიდან:

1) შეწოვა - საყრდენი ნარევი ცილინდრში შედის სარქველის საშუალებით;
2) შეკუმშვა - ორივე სარქველი დახურულია;
3) სამუშაო ინსულტი - მყარი ნაზავის ასაფეთქებელი წვა;
4) გამონაბოლქვი - ატმოსფეროში გამონაბოლქვი აირების გამონაბოლქვი.

ორთქლის ტურბინები

ორთქლის ტურბინში, ენერგიის გარდაქმნა მოხდება წყლის ორთქლის ზეწოლისა და შეყვანის დროს.
თანამედროვე ორთქლის ტურბინების შესაძლებლობები 1300 მეგავატს მიაღწევს.

1200 MW ორთქლის ტურბინის ზოგიერთი ტექნიკური პარამეტრი

• ორთქლის წნევა (სუფთა) არის 23.5 მპა.
• ორთქლის ტემპერატურა 540 ° C.
• ტურბინის ორთქლის ნაკადის სიჩქარე შეადგენს 3600 ტ / სთ.
• როტორის სიჩქარე 3000 rpm.
• კონდენსატორის ორთქლის წნევა 3.6 კმ.
• ტურბინის სიგრძე 47.9 მ.
• ტურბინის მასა 1900 ტონაა.

თერმული მანქანა შედგება საჰაერო კომპრესორი, წვის კამერი და გაზის ტურბინი. ოპერაციის პრინციპი: ჰაერი კომპრესორითაა მოთავსებული, ამიტომ მისი ტემპერატურა 200 ° C- ს აღემატება. შემდგომი შეკუმშული ჰაერი შედის წვის პალატაში, სადაც ერთდროულად მაღალი წნევის ქვეშ თხევადი საწვავის შეყვანაა - ნავთის, ფოტოგენის, საწვავის ნავთობის. როდესაც საწვავის წვიმა, ჰაერი ატარებს 1500-2000 ° C ტემპერატურას, აფართოებს და მოძრაობის სიჩქარე იზრდება. ჰაერი მაღალ სიჩქარით მოძრაობს და ტურბინს აწვება წვის პროდუქტები. სცენაზე ეტაპამდე ეტაპზე გადასვლის შემდეგ, წვის პროდუქტები ატარებს მათ ტურბინას პირებს, მათი კინეტიკური ენერგია. ტურბინის მიერ მიღებული ენერგიის ნაწილი შედის კომპრესორითა ბრუნვისკენ; დანარჩენი ნაწილი იხარჯება ელექტრული გენერატორის, თვითმფრინავის ხრახნიანი ან საზღვაო ხომალდის როტორზე, ავტომობილის ბორბლებზე.

გაზის ტურბინას შეიძლება გამოყენებული იქნას, გარდა მანქანის როლებისა და პროპელერით ან ნავი ხრახვების ბრუნვის გარდა, როგორც თვითმფრინავის ძრავა. საჰაერო და წვის პროდუქტები გადის მაღალი სიჩქარით გაზის ტურბინით, ამიტომ ამ პროცესში ჩნდება რეაქტიული thrust შეიძლება გამოყენებული იქნას საჰაერო (თვითმფრინავი) და წყლის (გემის) გემების, სარკინიგზო ტრანსპორტის სამგზავრო. მაგალითად, ტურბოპროპ ძრავებს აქვს An-24, An-124 (Ruslan), An-225 (Dream). ამგვარად, "სიზმარი" 700-850 კმ / სთ ფრენის სიჩქარით შეუძლია 250 ტონა ტვირთის გადაზიდვა თითქმის 15 000 კმ მანძილზე. ეს არის მსოფლიოში ყველაზე დიდი სატრანსპორტო თვითმფრინავი.

თერმული მანქანების გარემოსდაცვითი პრობლემები

კლიმატზე დიდი გავლენა ატმოსფეროს მდგომარეობაა, კერძოდ ნახშირორჟანგისა და წყლის ორთქლის არსებობა. ამგვარად, ნახშირორჟანგის შემცველობის ცვლილება იწვევს სათბურის ეფექტის ინტენსიფიკაციას ან შესუსტებას, რომელშიც ნახშირორჟანგი ნაწილობრივ შთანთქავს იმ სითბოს, რომ დედამიწა იცვლება სივრცეში, ატმოსფეროში აყოვნებს და ამცირებს ზედაპირის ტემპერატურას და ატმოსფეროს ქვედა ფენებს. სათბურის ეფექტის ფენომენი გადამწყვეტ როლს ასრულებს კლიმატის შერბილებაში. არარსებობის შემთხვევაში, პლანეტის საშუალო ტემპერატურა არ იქნება + 15 ° C, მაგრამ ქვედა 30-40 ° C.

ახლა მსოფლიოში არსებობს 300 მილიონზე მეტი სხვადასხვა სახის მანქანები, რომლებიც ატმოსფერული დაბინძურების ნახევარზე მეტს ქმნიან.

1 წლის განმავლობაში 150 მლნ ტონა გოგირდის ოქსიდები, 50 მილიონი ტონა აზოტის ოქსიდი, 50 მილიონი ტონა ნაცარი, 200 მილიონი ტონა ნახშირბადის მონოქსიდი, 3 მილიონი ტონა ფონონი გათავისუფლებულია ატმოსფეროში თბოელექტროსადგურებისგან, საწვავის წვის შედეგად.

ატმოსფეროს შემადგენლობა მოიცავს ოზონს, რომელიც იცავს დედამიწაზე სიცოცხლეს ულტრაიისფერი სხივების მავნე ზემოქმედებისგან. 1982 წელს ინგლისელმა მკვლევარმა ჯ. ფარმენმა აღმოაჩინა ოზონის ხვრელი ანტარქტიდის გამო, რომელიც ოზონის ატმოსფეროში დროებითი შემცირებაა. 1987 წლის 7 ოქტომბერს ოზონის ხვრის მაქსიმალურ განვითარებაზე ოზონის ოდენობა შემცირდა 2 ფაქტორით. ოზონის ხვრელი, ალბათ, წარმოიშვა ანთროპოგენური ფაქტორების შედეგად, მათ შორის, ქლორის შემცველი ქლადენის (ფარონების) გამოყენება ინდუსტრიაში, რომელიც ოზონის შრის გაანადგურებს. თუმცა, 1990-იანი წლების კვლევები. ამ თვალსაზრისით არ დაადასტურე. სავარაუდოდ, ოზონის ხვრის გამოჩენა არ უკავშირდება ადამიანის საქმიანობას და ბუნებრივი პროცესია. 1992 წელს, ოზონის ხვრელი აღმოჩენილ იქნა არქტიკზე.

თუ ყველა ატმოსფერული ოზონის აგროვებენ ფენის ზედაპირზე დედამიწის ზედაპირზე და შაქრიანი ჰაერის სიმკვრივეზე ნორმალურ ატმოსფერულ წნევაზე და 0 ° C- ზე, ოზონის ფარის სისქე მხოლოდ 2-3 მმ იქნება! ეს არის მთელი ფარი.

ცოტა ისტორია ...

• 1769 წლის ივლისი. პარიზში მდებარე Meudon პარკში, სამხედრო ინჟინერი ნ.ჯ. კონუნოზე "ცეცხლოვანი კარტი", რომელიც ორ ცილინდრიანი ორთქლის ძრავით იყო აღჭურვილი, რამდენიმე ათეული მეტრია.
• 1885 წელი. გერმანიის ინჟინერმა, გერმანელმა ინჟინერმა, კარლ ბენზმა მოაწყო Motorwagen- ის პირველი ოთხიანი მოტოციკლი ავტომანქანა 0.66 კვტ-ს, რაც 1886 წლის 29 იანვარს პატენტის მიღება მიიღო. ავტომობილის სიჩქარე 15-18 კმ / სთ-ს მიაღწია.
• 1891 წელი. გერმანელმა გამომგონებელმა გოტლიბ დიიმერმა მანქანიდან 2,9 კვტ (4 ცხენის ძალა) ძრავიანი სატვირთო ავტომობილი შექმნა. ავტომობილის მაქსიმალური სიჩქარე 10 კმ / სთ-ს მიაღწია, სხვადასხვა მოდელების ტარების მოცულობა 2-დან 5 ტონა იყო.
• 1899 წელი. ბელგიელი კ. ჟანატაი თავის ავტომანქანაში "Jame Contant" ("ყოველთვის უკმაყოფილო") პირველად 100 კილომეტრიანი სიჩქარის ლიმიტის გადალახვის მიზნით.

პრობლემების გადაჭრის მაგალითები

პრობლემა 1. ტემპერატურა გამაცხელებელი არის იდეალური სითბური მანქანა 2000 კ-ს ტოლი, ხოლო მაცივარის ტემპერატურა 100 ° C ეფექტურობის განსაზღვრა.

გამოსავალი :
ფორმულა, რომელიც განსაზღვრავს თერმული მანქანების ეფექტურობას (მაქსიმუმს):

Ŋ = T _1- T ₂ / T _1.
Ŋ = (2000К-373К) / 2000 К = 0.81.

პასუხი: ძრავის ეფექტურობა 81%.

ამოცანა 2. სითბოს ძრავში, როდესაც საწვავი დაიწვა, 200 კვტ სითბო მიიღო, ხოლო სითბოს 120 კვტ. რა არის ძრავის ეფექტურობა?

გამოსავალი:
ეფექტურობის განსაზღვრის ფორმულა შემდეგია:

Ŋ = Q1 - Q2 / Q1.
Ŋ = (2 · 10 ⁵ J - 1.2 · 10 ⁵ J) / 2 · 10 ⁵ J = 0.4.

პასუხი: სითბოს ძრავის ეფექტურობა 40% შეადგენს.

ამოცანა 3. რა არის სითბოს ძრავის ეფექტურობა, თუ გამათბობელი სითბოს შემდეგ სამუშაო აპარატმა მიიღო 1.6 მგ 400 კჯ? რა სითბოს გადაეცა მაცივარი?

გამოსავალი:
ეფექტურობა განისაზღვრება ფორმულით

Ŋ = A / Q _1.

Ŋ = 0.4 · 10 ⁶ J / 1.6 · 10 ⁶ J = 0.25.

მაცივარში გადაცემული სითბოს რაოდენობა განისაზღვრება ფორმულადან

Q ₁ - A = Q _2.
Q ₂ = 1.6 · 10 ⁶ J-0.4 · 10 ⁶ J = 1.2 · 10 ⁶ ჯ.
პასუხი: სითბოს აპარატს აქვს 25% ეფექტურობა; მაცივარში გადაყვანილი სითბოს რაოდენობა შეადგენს 1.2 × 10 ⁶ ჯუელს.