Potreba za korištenjem mehaničke energije u proizvodnji dovela je do pojave toplotnih motora.
Dizajn toplotnih motora
Toplotni motor (toplotni motor) - uređaj za pretvaranje unutrašnje energije u mehaničku energiju.
Svaki toplotni stroj ima grijač, radni fluid (plin ili para), koji kao rezultat zagrijavanja obavlja rad (okreće osovinu turbine, pomiče klip i tako dalje) i hladnjak. Slika ispod prikazuje dijagram toplotnog motora.
Osnove toplotnih motora
Svaki toplotni motor funkcioniše zahvaljujući motoru. Da bi obavio posao, on mora imati razliku tlaka na obje strane klipa motora ili lopatica turbine. Ova razlika se postiže kod svih toplotnih mašina na sledeći način: temperatura radnog fluida raste za stotine ili hiljade stepeni u poređenju sa temperaturom okoline. U plinskim turbinama i u motorima s unutrašnjim sagorijevanjem (ICE) temperatura raste zbog činjenice da gorivo sagorijeva unutar samog motora. Frižider može biti atmosfera ili uređaj posebne namjene za kondenzaciju i hlađenje izduvne pare.
Carnot ciklus
Ciklus (kružni proces) - skup promjena u stanju plina, uslijed kojih se vraća u prvobitno stanje (može raditi). Francuski fizičar Sadi Carnot je 1824. godine pokazao da je ciklus toplotne mašine (Carnot ciklus), koji se sastoji od dva procesa, izotermnog i adijabatskog, koristan. Slika ispod prikazuje grafikon Carnotovog ciklusa: 1-2 i 3-4 su izoterme, 2-3 i 4-1 su adijabate.
U skladu sa zakonom o održanju energije, rad toplotnih motora koji obavlja motor je:
A=Q1– Q2, gde je Q1 količina toplote primljena od grejača, a Q2 je količina toplote koja se isporučuje u frižider. Efikasnost toplotnog motora je odnos rada A koji motor obavlja i količine toplote primljene od grejača:
η=A/Q=(Q1– Q2)/Q1 =1 - Q2/Q1.
U djelu "Razmišljanja o pokretačkoj sili vatre i o mašinama koje su sposobne da razviju tu silu" (1824), Carnot je opisao toplotni motor nazvan "idealni toplotni motor sa idealnim gasom, koji je radni fluid." Zahvaljujući zakonima termodinamike, moguće je izračunati efikasnost (maksimalno moguću) toplotnog motora sa grijačem koji imatemperatura T1, i frižider sa temperaturom T2. Carnot toplotni motor ima efikasnost:
ηmax=(T1 – T2)/T 1=1 – T2/T1.
Sadi Carnot je dokazao da je bilo koja toplotna mašina stvarna, koja radi sa grejačem sa temperaturom T1 i frižiderom sa temperaturom od T2 ne može imati efikasnost koja bi premašila efikasnost toplotnog motora (idealno).
Motor sa unutrašnjim sagorevanjem (ICE)
Četvorotaktni motor sa unutrašnjim sagorevanjem sastoji se od jednog ili više cilindara, klipa, kolenastog mehanizma, usisnih i izduvnih ventila, sveća.
Radni ciklus se sastoji od četiri ciklusa:
1) usis - zapaljiva smeša ulazi u cilindar kroz ventil;
2) kompresija - oba ventila su zatvorena;
3) radni hod - eksplozivno sagorevanje zapaljive smeše;
4) izduv - ispuštanje izduvnih gasova u atmosferu.
Parna turbina
U parnoj turbini energija se pretvara zbog razlike u pritisku vodene pare na ulazu i izlazu.
Kapaciteti modernih parnih turbina dostižu 1300 MW.
Neki tehnički parametri parne turbine od 1200 MW
- Pritisak pare (svježe) - 23,5 MPa.
- Temperatura pare - 540 °C.
- Potrošnja pare turbine - 3600 t/h.
- Brzina rotora - 3000 o/min.
- Pritisak pare u kondenzatoru je 3,6 kPa.
- Dužina turbine - 47,9 m.
- Težina turbine - 1900 t.
Toplotni motor se sastoji od vazdušnog kompresora, komore za sagorevanje i gasne turbine. Princip rada: vazduh se adijabatski usisava u kompresor, pa mu temperatura raste do 200°C ili više. Zatim komprimirani zrak ulazi u komoru za sagorijevanje, gdje u isto vrijeme pod visokim pritiskom ulazi tečno gorivo - kerozin, fotogen, lož ulje. Kada se gorivo sagori, zrak se zagrijava do temperature od 1500-2000 ° C, širi se i njegova brzina se povećava. Zrak se kreće velikom brzinom, a proizvodi izgaranja se šalju u turbinu. Nakon prijelaza iz stupnja u stupanj, proizvodi izgaranja daju svoju kinetičku energiju lopaticama turbine. Dio energije koju prima turbina odlazi na rotaciju kompresora; ostatak se troši na rotaciju rotora električnog generatora, propelera aviona ili morskog plovila, točkova automobila.
Plinska turbina se može koristiti, pored rotacije točkova automobila i propelera aviona ili broda, kao mlazni motor. Vazduh i produkti sagorevanja izbacuju se iz gasne turbine velikom brzinom, pa se mlazni potisak koji nastaje tokom ovog procesa može koristiti za pokretanje vazdušnih (aviona) i vodenih (brodskih) brodova i železničkog transporta. Na primjer, avioni An-24, An-124 ("Ruslan"), An-225 ("Dream") imaju turboelisne motore. Dakle, "Dream" pri brzini leta od 700-850 km/h je sposoban da preveze 250 tona tereta na udaljenosti od skoro 15.000 km. To je najveći transportni avion na svijetu.
Ekološki problemi termalnih motora
Ima veliki uticaj na klimustanje atmosfere, posebno prisustvo ugljičnog dioksida i vodene pare. Dakle, promjena sadržaja ugljičnog dioksida dovodi do povećanja ili smanjenja efekta staklene bašte, pri čemu ugljični dioksid djelomično apsorbira toplinu koju Zemlja zrači u svemir, zadržava je u atmosferi i time povećava temperaturu površine i nižim slojevima atmosfere. Fenomen efekta staklene bašte igra odlučujuću ulogu u ublažavanju klimatskih promjena. U njegovom odsustvu, prosječna temperatura planete ne bi bila +15 °S, već niža za 30-40 °S.
Sada u svijetu postoji više od 300 miliona različitih tipova automobila, koji stvaraju više od polovine ukupnog zagađenja zraka.
Za godinu dana, 150 miliona tona sumpornih oksida, 50 miliona tona azotnog oksida, 50 miliona tona pepela, 200 miliona tona ugljen monoksida, 3 miliona tona feona ispušteno je u atmosferu iz termoelektrana kao rezultat sagorevanja goriva.
Atmosfera sadrži ozon, koji štiti sav život na zemlji od štetnog dejstva ultraljubičastih zraka. Godine 1982., J. Farman, engleski istraživač, otkrio je ozonsku rupu iznad Antarktika - privremeno smanjenje sadržaja ozona u atmosferi. U vrijeme maksimalnog razvoja ozonske rupe 7. oktobra 1987. godine, količina ozona u njoj se smanjila za 2 puta. Ozonska rupa je vjerovatno nastala kao rezultat antropogenih faktora, uključujući upotrebu u industriji freona koji sadrže klor (freona), koji uništavaju ozonski omotač. Međutim, istraživanja iz 1990-ih nije podržao ovaj stav. Najvjerovatnije ozonska rupanije povezan s ljudskom aktivnošću i prirodan je proces. 1992. godine, ozonska rupa je takođe otkrivena iznad Arktika.
Ako se sav atmosferski ozon skupi u sloj blizu površine Zemlje i zgusne do gustine zraka pri normalnom atmosferskom pritisku i temperaturi od 0 °C, tada će debljina ozonskog štita biti samo 2-3 mm! To je cijeli štit.
Malo istorije…
- jula 1769. Vojni inženjer N. J. Kunyo prešao je nekoliko desetina metara u parku Meudon u Parizu na "vatrenim kolima", koja su bila opremljena dvocilindričnom parnom mašinom.
- 1885. Karl Benz, njemački inženjer, napravio je prvi benzinski četverotaktni automobil na tri točka Motorwagen snage 0,66 kW, za koji je dobio patent 29. januara 1886. godine. Brzina automobila dostigla je 15-18 km/h.
- 1891. Gottlieb Daimler, njemački izumitelj, napravio je teretni kamion sa motorom od 2,9 kW (4 konjske snage) od putničkog automobila. Maksimalna brzina automobila dostigla je 10 km/h, nosivost u raznim modelima kretala se od 2 do 5 tona.
- 1899. Belgijanac C. Zhenatzi je prvi put prešao ograničenje brzine od 100 kilometara u svom automobilu "James Contint" ("Uvijek nezadovoljan").
Primjeri rješavanja problema
Problem 1. Idealna toplotna mašina ima temperaturu grejača od 2000 K, a temperaturu frižidera od 100 °C. Odredite efikasnost.
Rješenje:
Formula koja određuje efikasnost toplotnog motora (maksimalno):
ŋ=T1-T2/T1.
ŋ=(2000K - 373K) / 2000 K=0,81.
Odgovor: Efikasnost motora je 81%.
Zadatak 2. 200 kJ toplote je primljeno u toplotnu mašinu tokom sagorevanja goriva, a 120 kJ toplote je preneto u frižider. Kolika je efikasnost motora?
Rješenje:
Formula za određivanje efikasnosti je sljedeća:
ŋ=Q1 - Q2 / Q1.
ŋ=(2 105 J - 1, 2 105 J) / 2 105 J=0, 4.
Odgovor: Efikasnost toplotnog motora je 40%.
Problem 3. Kolika je efikasnost toplotnog motora ako je radni fluid, nakon što je primio 1,6 MJ toplote od grejača, izvršio 400 kJ rada? Koliko je toplote prešlo u frižider?
Rješenje:
Efikasnost se može odrediti formulom
ŋ=A / Q1.
ŋ=0.4 106 J / 1.6 106 J=0.25.
Količina toplote koja se prenosi u frižider može se odrediti formulom
Q1 - A=Q2.
Q2=1,6 106 J - 0,4 106 J=1,2 106J. Odgovor: toplotni motor ima efikasnost od 25%; količina toplote koja se prenosi u frižider je 1,2 10
6 J.
