Rad mnogih tipova mašina karakteriše tako važan pokazatelj kao što je efikasnost toplotnog motora. Svake godine inženjeri nastoje da stvore napredniju opremu koja bi uz niže troškove goriva dala maksimalne rezultate njenom upotrebom.
Uređaj za toplinski motor
Pre nego što shvatimo šta je efikasnost, neophodno je razumeti kako ovaj mehanizam funkcioniše. Bez poznavanja principa njegovog djelovanja nemoguće je saznati suštinu ovog indikatora. Toplotni motor je uređaj koji radi koristeći unutrašnju energiju. Svaki toplinski motor koji pretvara toplinsku energiju u mehaničku energiju koristi toplinsko širenje tvari s povećanjem temperature. U solid-state motorima moguće je promijeniti ne samo volumen materije, već i oblik tijela. Rad takvog motora podliježe zakonima termodinamike.
Princip rada
Da bismo razumjeli kako radi toplinski stroj, potrebno je razmotriti osnovenjegove nacrte. Za rad uređaja potrebna su dva tijela: toplo (grijač) i hladno (frižider, hladnjak). Princip rada toplotnih motora (efikasnost toplotnih motora) zavisi od njihovog tipa. Često kondenzator pare djeluje kao hladnjak, a bilo koja vrsta goriva koja gori u peći djeluje kao grijač. Efikasnost idealnog toplotnog motora nalazi se sljedećom formulom:
Efficiency=(Theating - Cooling)/ Theating. x 100%.
U isto vrijeme, efikasnost pravog motora nikada ne može premašiti vrijednost dobijenu prema ovoj formuli. Također, ovaj indikator nikada neće premašiti gornju vrijednost. Da biste povećali efikasnost, najčešće povećavajte temperaturu grijača i smanjite temperaturu hladnjaka. Oba ova procesa će biti ograničena stvarnim radnim uslovima opreme.
Efikasnost toplotnog motora (formula)
Tokom rada toplotnog motora, rad se obavlja, jer gas počinje gubiti energiju i hladi se do određene temperature. Potonji je obično nekoliko stepeni iznad okolne atmosfere. Ovo je temperatura frižidera. Takav poseban uređaj dizajniran je za hlađenje s naknadnom kondenzacijom ispušne pare. Tamo gdje su prisutni kondenzatori, temperatura hladnjaka je ponekad niža od temperature okoline.
U toplotnom stroju, tijelo, kada se zagrije i proširi, nije u stanju dati svu svoju unutrašnju energiju za rad. Dio topline će se prenijeti u hladnjak zajedno s izduvnim plinovima ili parom. Ovaj diotoplotna unutrašnja energija se neizbježno gubi. Tokom sagorevanja goriva, radno telo prima određenu količinu toplote Q1 od grejača. Istovremeno, i dalje obavlja posao A, tokom kojeg prenosi dio toplotne energije u frižider: Q2<Q1.
EFFICIENCY karakteriše efikasnost motora u oblasti konverzije i prenosa energije. Ovaj indikator se često mjeri u procentima. Formula efikasnosti:
ηA/Qx100%, gdje je Q potrošena energija, A je koristan rad.
Na osnovu zakona održanja energije možemo zaključiti da će efikasnost uvijek biti manja od jedan. Drugim riječima, nikada neće biti korisnijeg posla od energije utrošene na to.
Efikasnost motora je omjer korisnog rada i energije koju isporučuje grijač. Može se predstaviti kao sljedeća formula:
η=(Q1-Q2)/ Q1, gdje je Q 1 - toplina primljena od grijača, i Q2 - data u frižider.
Rad toplotnog motora
Rad koji obavlja toplotni stroj izračunava se pomoću sljedeće formule:
A=|QH| - |QX|, gdje je A rad, QH je količina topline primljena od grijača, QX - količina toplote koja se daje hladnjaku.
Efikasnost toplotnog motora (formula):
|QH| - |QX|)/|QH|=1 - |QX|/|QH|
Jedan je omjeru rada motora prema količinitoplina. Dio toplotne energije se gubi tokom ovog prijenosa.
Carnot motor
Maksimalna efikasnost toplotnog motora je zabeležena na Carnot uređaju. To je zbog činjenice da u ovom sistemu zavisi samo od apsolutne temperature grijača (Tn) i hladnjaka (Th). Efikasnost toplotnog motora koji radi prema Carnot ciklusu određena je sljedećom formulom:
(Tn - Th)/ Tn=- Th - Tn.
Zakoni termodinamike su nam omogućili da izračunamo maksimalnu moguću efikasnost. Po prvi put ovaj pokazatelj je izračunao francuski naučnik i inženjer Sadi Carnot. Izumio je toplotni motor koji je radio na idealan gas. Radi na ciklusu od 2 izoterme i 2 adijabate. Princip njegovog rada je prilično jednostavan: kontakt grijača se dovodi u posudu s plinom, zbog čega se radni fluid izotermno širi. U isto vrijeme funkcionira i prima određenu količinu topline. Nakon što je posuda termički izolirana. Uprkos tome, gas nastavlja da se širi, ali već adijabatski (bez razmene toplote sa okolinom). U tom trenutku njegova temperatura pada na hladnjak. U ovom trenutku plin je u kontaktu sa hladnjakom, zbog čega mu daje određenu količinu topline tokom izometrijske kompresije. Zatim se posuda ponovo termički izoluje. U ovom slučaju, plin se adijabatski komprimira do svoje prvobitne zapremine i stanja.
Varieties
U našem vremenu postoji mnogo vrsta toplotnih motora koji rade na različitim principima i na različita goriva. Svi imaju svoju efikasnost. To uključujesljedeće:
• Motor sa unutrašnjim sagorevanjem (klip), koji je mehanizam gde se deo hemijske energije sagorelog goriva pretvara u mehaničku energiju. Takvi uređaji mogu biti plinoviti i tekući. Postoje 2-taktni i 4-taktni motori. Mogu imati kontinuirani ciklus rada. Prema načinu pripreme mješavine goriva, takvi motori su karburatorski (sa vanjskim formiranjem smjese) i dizel (sa unutrašnjim). Prema vrstama pretvarača energije dijele se na klipne, mlazne, turbinske, kombinirane. Efikasnost takvih mašina ne prelazi 0,5.
• Stirlingov motor - uređaj u kojem se radni fluid nalazi u zatvorenom prostoru. To je vrsta motora sa vanjskim sagorijevanjem. Princip njegovog rada zasniva se na periodičnom hlađenju/zagrevanju tela uz proizvodnju energije usled promene njegovog volumena. To je jedan od najefikasnijih motora.
• Turbinski (rotacioni) motor sa spoljnim sagorevanjem goriva. Ovakve instalacije se najčešće nalaze u termoelektranama.
• Turbinski (rotacioni) ICE se koristi u termoelektranama u vršnom režimu. Nije tako uobičajeno kao drugi.
• Turboelisni motor stvara dio potiska zbog propelera. Ostatak dolazi od izduvnih gasova. Njegov dizajn je rotacioni motor (gasna turbina), na čijoj je osovini montiran propeler.
Druge vrste toplotnih motora
• Raketni, turbomlazni i mlazni motori koji dobijaju potisak od trzajaizduvni gasovi.
• Solid-state motori koriste čvrste materije kao gorivo. Prilikom rada ne mijenja se njegov volumen, već oblik. Rad opreme koristi ekstremno nisku temperaturnu razliku.
Kako poboljšati efikasnost
Da li je moguće povećati efikasnost toplotnog motora? Odgovor se mora tražiti u termodinamici. Proučava međusobne transformacije različitih vrsta energije. Utvrđeno je da je nemoguće svu raspoloživu toplotnu energiju pretvoriti u električnu, mehaničku itd. Pri tome se njihovo pretvaranje u toplotnu energiju odvija bez ikakvih ograničenja. To je moguće zbog činjenice da je priroda toplotne energije zasnovana na nesređenom (haotičnom) kretanju čestica.
Što se tijelo više zagrijava, brže će se kretati molekuli koji ga čine. Kretanje čestica će postati još nestalnije. Uz to, svi znaju da se poredak lako može pretvoriti u haos, koji je veoma teško urediti.
