Tepelný stroj: cyklus, provoz, účinnost. Ekologické problémy tepelných strojů. Co je ideální termální stroj?

Potřeba použití mechanická energie

Zařízení tepelných strojů

Termální stroj (tepelný motor) je zařízení pro přeměnu vnitřní energie na mechanickou energii.

Každý tepelný motor má topné těleso, pracovní tekutina (plyn nebo pára), který vykonává práci zahříváním (za následek otáčení hřídele turbíny, píst se pohybuje, a tak dále) a lednici. Níže uvedený obrázek ukazuje schéma tepelného motoru.

Základy působení tepelných motorů

Každé tepelné zařízení je ovládáno motorem. Chcete-li tuto úlohu provést, musí mít tlakový rozdíl na obou stranách pístu motoru nebo lopatky turbíny. Tento rozdíl je dosažen u všech tepelných motorů takto: teplota pracovní kapaliny stoupá o stovky nebo tisíce stupňů ve srovnání s teplotou okolí. V plynové turbíny a v motorech s vnitřním spalováním (ICE), teplota stoupá kvůli tomu, že palivo spaluje uvnitř samotného motoru. Chladnička může být atmosféra nebo zařízení pro speciální účely pro kondenzování a chlazení použité páry.

Cyklus Carnot

Cyklus (cyklický proces) - soubor změn stavu plyn, což má za následek to se vrátí do původního stavu (může vykonávat práci). V roce 1824, francouzský fyzik Sadie Carnot ukázaly, že je výhodné, aby cyklu tepelného motoru (Carnotův cyklus), která se skládá ze dvou procesů - izotermické a adiabatické. Níže uvedený obrázek ukazuje graf cyklu Carnot: 1-2 a 3-4 - izotermy, 2-3 a 4-1 - adiabaty.

V souladu se zákonem o ochraně energie je práce tepelných strojů prováděných motorem:

A = Q₁- Q₂,

kde Q₁ - množství tepla, které je získáno z ohřívače, a Q₂ - množství tepla, které je dáno chladniči.
Účinnost tepelného motoru je poměr práce A provedené motorem k množství tepla, které se získává z ohřívače:

eta = A / Q = (Q₁- Q₂) / Q₁ = 1 - Q₂/ Q₁.

V „Úvahy o hybné síle ohně a strojích, které jsou schopny vyvinout tuto sílu“ (1824) je popsáno Carnot tepelný motor pod názvem „ideálního tepelného motoru s ideálního plynu, který je pracovním orgánem.“ Díky zákonům termodynamiky je možné vypočítat účinnost (nejvyšší možné) tepelného motoru s ohřívačem, který má teplotu T₁, a chladnička s teplotou T₂. Tepelný stroj Carnot má účinnost:

eta-_max = (T₁ - T₂) / T₁ = 1 - T₂/ T_1.

Sadi Carnot dokázal, že každý tepelný stroj je skutečný, který pracuje s ohřívačem s teplotou T₁ a chladnička s teplotou T₂ není schopen mít účinnost, která by překročila účinnost tepelného stroje (ideální).

Spalovací motor (ICE)

Čtyřdobý spalovací motor zahrnuje jeden nebo více válců, píst, klikového mechanismu, sacích a výfukových ventilů, jiskra.

Pracovní cyklus se skládá ze čtyř cyklů:

1) sání - hořlavá směs vstupuje přes ventil ve válci -
2) komprese - obě ventily jsou uzavřeny -
3) pracovní zdvih - výbušné spalování hořlavé směsi -
4) odsávání výfukových plynů do ovzduší.

Parní turbína

V parní turbíně dochází k přeměně energie kvůli rozdílu tlaku vodní páry na vstupu a výstupu.
Kapacity moderních parních turbín dosahují 1300 MW.

Některé technické parametry parní turbíny 1200 MW

• Tlak par (čerstvý) je 23,5 MPa.
• Teplota páry je 540 ° C.
• Průtok páry turbíny je 3600 t / h.
• Otáčky rotoru jsou 3000 ot / min.
• Tlak par v kondenzátoru je 3,6 kPa.
• Délka turbíny je 47,9 m.
• Hmotnost turbíny je 1900 tun.

Tepelný motor se skládá z vzduchového kompresoru, spalovací komory a plynová turbína. Princip činnosti: vzduch se adiabaticky nasává do kompresoru, takže jeho teplota stoupá na 200 ° C nebo více. Příště stlačený vzduch spadá do spalovací komory, kde současně pod velkým tlakem vstupuje kapalné palivo - kerosen, fotogen, topný olej. Při spalování paliva se vzduch ohřeje na teplotu 1500-2000 ° C, roztahuje se a jeho rychlost se zvyšuje. Vzduch se pohybuje vysokou rychlostí a produkty spalování jsou přiváděny do turbíny. Po přechodu z etapy do fáze spalovací produkty dávají svým lopatkám turbíny svou kinetickou energii. Část energie přijaté turbínou otáčí kompressora- zbývající část je spotřebována na rotoru generátoru, rotoru letadla nebo námořní lodi, kola vozidla.

Plynová turbína může být použita jako střídač koleček a vrtulí letadla nebo motorové lodi jako tryskový motor. Vzduch a spaliny jsou vypouštěny vysokou rychlostí z plynové turbíny, takže reaktivní tah, který vzniká v tomto procesu, může být použit pro dopravu vzdušných (letadel) a vodních (lodních) plavidel, železniční dopravy. Například turbovrtulové motory mají An-24, An-124 (Ruslan), An-225 (Dream). Takže "sen" při letové rychlosti 700-850 km / h je schopen přepravit 250 tun nákladu ve vzdálenosti téměř 15 000 km. Je to největší dopravní letadlo na světě.

Ekologické problémy tepelných strojů

Velkým vlivem na klima je atmosférický stav, zejména přítomnost oxidu uhličitého a vodní páry. To znamená, že změna v obsahu oxidu uhličitého vede ke zvýšení nebo snížení skleníkového efektu, ve které oxid uhličitý absorbuje část tepla, která vyzařuje do země prostoru, zpoždění v atmosféře se zvyšuje a tudíž teploty povrchu a nižší atmosféře. Fenomén skleníkových efektů hraje rozhodující roli při zmírňování klimatických změn. Při nepřítomnosti by průměrná teplota planety nebyla + 15 ° C, ale nižší o 30-40 ° C.

Nyní na světě existuje více než 300 milionů různých druhů automobilů, které vytvářejí více než polovinu znečištění ovzduší.

Po dobu 1 roku do atmosféry z tepelných elektráren v důsledku spalování paliva do atmosféry uvolní 150 milionů tun oxidů síry, 50 milionů tun oxidu dusíku, 50 milionů tun popela, 200 milionů tun oxidu uhelnatého a 3 miliony tun fononu.

Složení atmosféry zahrnuje ozon, který chrání veškerý život na zemi před škodlivými účinky ultrafialových paprsků. V roce 1982 objevil J. Farman, anglický badatel, ozónovou díru nad Antarktidou - dočasné snížení ozonu v atmosféře. V době maximálního vývoje ozonové díry 7. října 1987 se množství ozonu v něm snížilo o 2 krát. Ozon otvor pravděpodobně důsledkem antropogenních faktorů, včetně použití v průmyslu freonů obsahujících chlor (CFC), které ničí ozónovou vrstvu. Studie z devadesátých let. tento názor nepotvrdil. S největší pravděpodobností vzhled ozonové díry nesouvisí s lidskou činností a je přirozeným procesem. V roce 1992 a po Arktidě byla otevřena ozonová díra.

Pokud shromažďování všech atmosférické ozonové vrstvy v zemském povrchu a zahustit do hustoty vzduchu při atmosférickém tlaku a při teplotě 0 ° C, pak tloušťka ozon štít je jen 2-3 mm! To je celý štít.

Trochu historie ...

• Červenec 1769. V parku Meudon v Paříži vojenský inženýr NJ Cunyo na "ohnivém vozíku", který byl vybaven dvouvalcovým parním motorem, jezdil několik desítek metrů.
• 1885 let. Karl Benz, německý inženýr, stavěl první čtyřkolové benzín auto Motorwagen výkon 0,66 kW, což 29.ledna 1886 získal patent. Rychlost vozu dosáhla rychlosti 15-18 km / h.
• 1891 roku. Gottlieb Daimler, německý vynálezce, vyrobil z vozu nákladní vozík s motorem o výkonu 2,9 kW (4 koně). Maximální rychlost Vozidlo dosáhlo 10 km / h, nosnost v různých modelech se pohybovala od 2 do 5 tun.
• 1899 let. Belgičan K. Zhenatzi v jejím autě "Jame Contant" ("Vždy nespokojený") poprvé překonal 100 kilometrovou rychlostní limit.

Příklady řešení problémů

Úkol 1. Teplota ohřívače je ideální tepelný přístroj, který se rovná 2000 K a teplota chladničky je 100 ° C. Určete účinnost.

Řešení:
Vzorec, který určuje účinnost tepelného stroje (maximum):

ŋ = T₁-T₂/ T_1.
ŋ = (2000К-373К) / 2000K = 0,81.

Odpověď: Účinnost motoru je 81%.

Úkol 2.V tepelném motoru bylo ze spalování paliva přijato 200 kJ tepla a do chladničky bylo přeneseno 120 kJ tepla. Jaká je účinnost motoru?

Řešení:
Vzorec pro určení účinnosti je následující:

ŋ = Q1 - Q2 / Q1.
ŋ = (2middot-10⁵ J-1,2middot-10⁵ J) / 2middot-10⁵ J = 0,4.

Odpověď: Účinnost tepelného motoru je 40%.

Úkol 3. Jaká je účinnost tepelného motoru, jestliže pracovní médium po tepelném množství 1,6 MJ z ohřívače dosáhlo 400 kJ? Kolik tepla bylo přeneseno do chladničky?

Řešení:
Účinnost lze určit podle vzorce

ŋ = A / Q_1.

ŋ = 0,4middot-10^6. J / 1,6middot-10^6. J = 0,25.

Množství tepla převedeného do chladničky lze určit z vzorce

Q₁ - A = Q_2.
Q₂ = 1,6middot-10^6. J = 0,4middot-10^6. J = 1,2middot-10^6. J.
Odpověď: tepelný stroj má účinnost 25% - množství tepla přeneseného do chladničky - 1,2middot-10^6. J.