Nevoja për të përdorur energjinë mekanike në prodhim çoi në shfaqjen e motorëve me nxehtësi.
Dizajni i motorëve me ngrohje
Motor ngrohje (motor ngrohje) - një pajisje për shndërrimin e energjisë së brendshme në energji mekanike.
Çdo motor ngrohje ka një ngrohës, një lëng pune (gaz ose avull), i cili, si rezultat i ngrohjes, kryen punë (kthehet boshti i turbinës, lëviz pistonin etj.) dhe një frigorifer. Figura më poshtë tregon një diagram të një motori ngrohjeje.
Bazat e motorëve me nxehtësi
Çdo motor ngrohje funksionon falë motorit. Për të kryer punën, ai duhet të ketë një ndryshim presioni në të dyja anët e pistonit të motorit ose tehut të turbinës. Ky ndryshim arrihet në të gjithë motorët me nxehtësi si më poshtë: temperatura e lëngut të punës rritet me qindra ose mijëra gradë në krahasim me temperaturën e ambientit. Në turbinat me gaz dhe në motorët me djegie të brendshme (ICE), temperatura rritet për shkak të faktit se karburanti digjet brenda vetë motorit. Frigoriferi mund të jetë një atmosferë ose një pajisje për qëllime të veçanta për kondensimin dhe ftohjen e avullit të shkarkimit.
Cikli Carnot
Cikli (proces rrethor) - një grup ndryshimesh në gjendjen e gazit, si rezultat i të cilave ai kthehet në gjendjen e tij origjinale (mund të bëjë punë). Në 1824, fizikani francez Sadi Carnot tregoi se cikli i motorit të nxehtësisë (cikli Carnot), i cili përbëhet nga dy procese, izotermik dhe adiabatik, është i dobishëm. Figura më poshtë tregon një grafik të ciklit Carnot: 1-2 dhe 3-4 janë izotermë, 2-3 dhe 4-1 janë adiabat.
Në përputhje me ligjin e ruajtjes së energjisë, puna e motorëve me nxehtësi të kryer nga motori është:
A=Q1– Q2, ku Q1 është sasia e nxehtësisë së marrë nga ngrohësi dhe Q2 është sasia e nxehtësisë që shpërndahet në frigorifer. Efiçenca e një motori me ngrohje është raporti i punës A të kryer nga motori me sasinë e nxehtësisë së marrë nga ngrohësi:
η=A/Q=(Q1– Q2)/Q1 =1 - Q2/Q1.
Në veprën "Mendime mbi forcën lëvizëse të zjarrit dhe mbi makinat që janë në gjendje të zhvillojnë këtë forcë" (1824), Carnot përshkroi një motor nxehtësie të quajtur "një motor nxehtësie ideale me një gaz ideal, i cili është një lëngun e punës". Falë ligjeve të termodinamikës, është e mundur të llogaritet efikasiteti (maksimumi i mundshëm) i një motori ngrohjeje me një ngrohës që katemperatura T1 dhe një frigorifer me temperaturë T2. Motori i ngrohjes Carnot ka një efikasitet:
ηmax=(T1 – T2)/T 1=1 – T2/T1.
Sadi Carnot vërtetoi se çdo motor ngrohjeje është real, i cili punon me një ngrohës me temperaturë T1 dhe një frigorifer me temperaturë T2 nuk është në gjendje të ketë një efikasitet që do të tejkalonte efikasitetin e një motori ngrohjeje (ideal).
Motor me djegie të brendshme (ICE)
Një motor me djegie të brendshme me katër goditje përbëhet nga një ose më shumë cilindra, pistoni, mekanizmi i manivelit, valvulat e marrjes dhe shkarkimit, qirinj.
Cikli i punës përbëhet nga katër cikle:
1) thithje - përzierja e djegshme hyn në cilindër përmes valvulës;
2) kompresim - të dy valvulat janë të mbyllura;
3) goditje pune - djegie shpërthyese e përzierjes së djegshme;
4) shkarkimi - lëshimi i gazrave të shkarkimit në atmosferë.
Turbinë me avull
Në një turbinë me avull, energjia konvertohet për shkak të ndryshimit në presionin e avullit të ujit në hyrje dhe dalje.
Kapacitetet e turbinave moderne me avull arrijnë në 1300 MW.
Disa parametra teknikë të turbinës me avull 1200 MW
- Presioni i avullit (i freskët) - 23,5 MPa.
- Temperatura e avullit - 540 °C.
- Konsumi i avullit të turbinës - 3600 t/h.
- Shpejtësia e rotorit - 3000 rpm.
- Presioni i avullit në kondensator është 3,6 kPa.
- Gjatësia e turbinës - 47,9 m.
- Pesha e turbinës - 1900 t.
Motori i nxehtësisë përbëhet nga një kompresor ajri, një dhomë djegieje dhe një turbinë me gaz. Parimi i funksionimit: ajri thithet në mënyrë adiabatike në kompresor, kështu që temperatura e tij rritet në 200 ° C ose më shumë. Pastaj ajri i kompresuar hyn në dhomën e djegies, ku në të njëjtën kohë karburanti i lëngshëm - vajguri, fotogjeni, vaji i karburantit - hyn nën presion të lartë. Kur karburanti digjet, ajri nxehet në një temperaturë prej 1500-2000 ° C, zgjerohet dhe shpejtësia e tij rritet. Ajri lëviz me shpejtësi të madhe dhe produktet e djegies dërgohen në turbinë. Pas kalimit nga faza në fazë, produktet e djegies japin energjinë e tyre kinetike te fletët e turbinës. Një pjesë e energjisë së marrë nga turbina shkon në rrotullimin e kompresorit; pjesa tjetër shpenzohet për rrotullimin e rotorit të gjeneratorit elektrik, helikës së një avioni ose anijeje detare, rrotat e një makine.
Një turbinë me gaz mund të përdoret, përveç rrotullimit të rrotave të një makine dhe helikave të një avioni ose anijeje, si një motor reaktiv. Ajri dhe produktet e djegies nxirren nga turbina me gaz me shpejtësi të lartë, kështu që shtytja e avionit që ndodh gjatë këtij procesi mund të përdoret për të drejtuar anijet ajrore (aeroplan) dhe ujë (anije) dhe transportin hekurudhor. Për shembull, avionët An-24, An-124 ("Ruslan"), An-225 ("Dream") kanë motorë turboprop. Pra, "Dream" me një shpejtësi fluturimi 700-850 km / orë është në gjendje të transportojë 250 ton ngarkesë në një distancë prej gati 15,000 km. Është avioni transportues më i madh në botë.
Problemet mjedisore të motorëve termikë
Ka një ndikim të madh në klimëgjendja e atmosferës, në veçanti prania e dioksidit të karbonit dhe avullit të ujit. Kështu, një ndryshim në përmbajtjen e dioksidit të karbonit çon në një rritje ose ulje të efektit serë, në të cilin dioksidi i karbonit thith pjesërisht nxehtësinë që Toka rrezaton në hapësirë, e mban atë në atmosferë dhe në këtë mënyrë rrit temperaturën e sipërfaqes dhe shtresat e poshtme të atmosferës. Fenomeni i efektit serë luan një rol vendimtar në zbutjen e klimës. Në mungesë të tij, temperatura mesatare e planetit nuk do të ishte +15 °С, por më e ulët me 30-40 °C.
Tani ka më shumë se 300 milionë lloje të ndryshme makinash në botë, të cilat krijojnë më shumë se gjysmën e të gjithë ndotjes së ajrit.
Për 1 vit, 150 milion ton oksid squfuri, 50 milion ton oksid azoti, 50 milion ton hi, 200 milion ton monoksid karboni, 3 milion ton feon lëshohen në atmosferë nga termocentralet si rezultat i djegies së karburantit.
Atmosfera përmban ozon, i cili mbron të gjithë jetën në tokë nga efektet e dëmshme të rrezeve ultravjollcë. Në vitin 1982, J. Farman, një studiues anglez, zbuloi një vrimë ozoni mbi Antarktidë - një rënie e përkohshme e përmbajtjes së ozonit në atmosferë. Në kohën e zhvillimit maksimal të vrimës së ozonit më 7 tetor 1987, sasia e ozonit në të u ul me 2 herë. Vrima e ozonit ndoshta u ngrit si rezultat i faktorëve antropogjenë, duke përfshirë përdorimin në industri të freoneve (freoneve) që përmbajnë klor, të cilët shkatërrojnë shtresën e ozonit. Megjithatë, kërkimet në vitet 1990 nuk e mbështeti këtë pikëpamje. Me shumë mundësi një vrimë ozoninuk lidhet me veprimtarinë njerëzore dhe është një proces natyror. Në vitin 1992, një vrimë ozoni u zbulua gjithashtu mbi Arktik.
Nëse i gjithë ozoni atmosferik mblidhet në një shtresë afër sipërfaqes së Tokës dhe trashet në densitetin e ajrit në presion normal atmosferik dhe një temperaturë prej 0 °C, atëherë trashësia e mburojës së ozonit do të jetë vetëm 2-3 mm! Kjo është e gjithë mburoja.
Pak histori…
- korrik 1769. Inxhinieri ushtarak N. J. Kunyo udhëtoi disa dhjetëra metra në parkun Meudon në Paris me një "karrocë zjarri", e cila ishte e pajisur me një motor me avull me dy cilindra.
- 1885. Karl Benz, një inxhinier gjerman, ndërtoi makinën e parë me katër rrota me benzinë Motorwagen me një fuqi prej 0,66 kW, për të cilën mori një patentë më 29 janar 1886. Shpejtësia e makinës arriti 15-18 km/h.
- 1891. Gottlieb Daimler, një shpikës gjerman, bëri një kamion mallrash me një motor 2.9 kW (4 kuajfuqi) nga një makinë pasagjerësh. Shpejtësia maksimale e makinës arriti në 10 km / orë, kapaciteti mbajtës në modele të ndryshme varionte nga 2 në 5 ton.
- 1899. Belgu C. Zhenatzi kaloi kufirin e shpejtësisë prej 100 kilometrash për herë të parë me makinën e tij "James Contint" ("Gjithmonë i pakënaqur").
Shembuj të zgjidhjes së problemeve
Problemi 1. Një motor ngrohje ideale ka një temperaturë ngrohës prej 2000 K dhe një temperaturë frigoriferi prej 100 °C. Përcaktoni efikasitetin.
Zgjidhja:
Formula që përcakton efikasitetin e një motori ngrohjeje (maksimumi):
ŋ=T1-T2/T1.
ŋ=(2000K - 373K) / 2000 K=0,81.
Përgjigje: Efikasiteti i motorit është 81%.
Detyra 2. 200 kJ nxehtësi u morën në motorin e nxehtësisë gjatë djegies së karburantit dhe 120 kJ nxehtësi u transferuan në frigorifer. Cili është efikasiteti i motorit?
Zgjidhja:
Formula për përcaktimin e efikasitetit është si më poshtë:
ŋ=Q1 - Q2 / Q1.
ŋ=(2 105 J - 1, 2 105 J) / 2 105 J=0, 4.
Përgjigje: Efikasiteti i një motori me nxehtësi është 40%.
Problemi 3. Sa është efikasiteti i një motori ngrohjeje nëse lëngu i punës, pasi merr 1,6 MJ nxehtësi nga ngrohësi, kryen 400 kJ pune? Sa nxehtësi u transferua në frigorifer?
Zgjidhja:
Efiçenca mund të përcaktohet me formulën
ŋ=A / Q1.
ŋ=0,4 106 J / 1,6 106 J=0,25.
Sasia e nxehtësisë së transferuar në frigorifer mund të përcaktohet me formulën
Q1 - A=Q2.
Q2=1,6 106 J - 0,4 106 J=1,2 106J. Përgjigje: një motor ngrohje ka një efikasitet prej 25%; sasia e nxehtësisë së transferuar në frigorifer është 1.2 10
6 J.
