Praca wielu typów maszyn charakteryzuje się tak ważnym wskaźnikiem, jak sprawność silnika cieplnego. Każdego roku inżynierowie dążą do stworzenia bardziej zaawansowanego sprzętu, który przy niższych kosztach paliwa dawałby maksymalne rezultaty jego użytkowania.
Urządzenie z silnikiem cieplnym
Zanim zrozumiemy, czym jest wydajność, konieczne jest zrozumienie, jak działa ten mechanizm. Bez znajomości zasad jego działania nie można poznać istoty tego wskaźnika. Silnik cieplny to urządzenie, które działa, wykorzystując energię wewnętrzną. Każdy silnik cieplny, który przekształca energię cieplną w energię mechaniczną, wykorzystuje rozszerzalność cieplną substancji wraz ze wzrostem temperatury. W silnikach półprzewodnikowych możliwa jest nie tylko zmiana objętości materii, ale także kształtu ciała. Działanie takiego silnika podlega prawom termodynamiki.
Zasada działania
Aby zrozumieć, jak działa silnik cieplny, należy wziąć pod uwagę podstawyjego projekty. Do działania urządzenia potrzebne są dwa korpusy: gorący (grzałka) i zimny (lodówka, chłodnica). Zasada działania silników cieplnych (sprawność silników cieplnych) zależy od ich rodzaju. Często skraplacz pary pełni rolę lodówki, a każdy rodzaj paliwa spalającego się w piecu działa jak grzałka. Sprawność idealnego silnika cieplnego określa następujący wzór:
Efficiency=(Ogrzewanie - Chłodzenie)/ Grzanie. x 100%.
Jednocześnie sprawność prawdziwego silnika nigdy nie może przekroczyć wartości uzyskanej według tego wzoru. Również ten wskaźnik nigdy nie przekroczy powyższej wartości. Aby zwiększyć wydajność, najczęściej zwiększ temperaturę grzałki i obniż temperaturę lodówki. Oba te procesy będą ograniczone rzeczywistymi warunkami pracy sprzętu.
Sprawność silnika cieplnego (wzór)
Podczas pracy silnika cieplnego praca jest wykonywana, ponieważ gaz zaczyna tracić energię i schładza się do określonej temperatury. Ta ostatnia znajduje się zwykle kilka stopni nad otaczającą atmosferą. To jest temperatura lodówki. Takie specjalne urządzenie jest przeznaczone do chłodzenia z następującą kondensacją pary odlotowej. Tam, gdzie występują skraplacze, temperatura lodówki jest czasami niższa niż temperatura otoczenia.
W silniku cieplnym ciało, po rozgrzaniu i rozprężeniu, nie jest w stanie oddać całej swojej wewnętrznej energii do pracy. Część ciepła zostanie przekazana do lodówki wraz ze spalinami lub parą. Ta częśćwewnętrzna energia cieplna jest nieuchronnie tracona. Podczas spalania paliwa korpus roboczy otrzymuje pewną ilość ciepła Q1 z nagrzewnicy. Jednocześnie nadal działa A, podczas którego przekazuje część energii cieplnej do lodówki: Q2<Q1.
EFFICIENCY charakteryzuje sprawność silnika w zakresie konwersji energii i transmisji. Wskaźnik ten jest często mierzony w procentach. Formuła wydajności:
ηA/Qx100%, gdzie Q to wydatkowana energia, A to praca użyteczna.
Na podstawie prawa zachowania energii możemy wywnioskować, że sprawność zawsze będzie mniejsza niż jeden. Innymi słowy, nigdy nie będzie bardziej użytecznej pracy niż wydatkowana na nią energia.
Sprawność silnika to stosunek pracy użytecznej do energii dostarczanej przez grzałkę. Można to przedstawić za pomocą następującej formuły:
η=(Q1-Q2)/ Q1, gdzie Q 1 - ciepło odbierane z grzałki, a Q2 - oddawane do lodówki.
Działanie silnika cieplnego
Praca wykonana przez silnik cieplny jest obliczana według następującego wzoru:
A=|QH| - |QX|, gdzie A oznacza pracę, QH to ilość ciepła odbieranego z nagrzewnicy, QX - ilość ciepła oddana do chłodnicy.
Sprawność silnika cieplnego (wzór):
|QH| - |QX|)/|QH|=1 - |QX|/|QH|
Jest równy stosunkowi pracy wykonanej przez silnik do ilościciepło. Podczas tego transferu część energii cieplnej jest tracona.
Silnik Carnota
Maksymalna wydajność silnika cieplnego jest odnotowywana na urządzeniu Carnota. Wynika to z faktu, że w tym systemie zależy tylko od temperatury bezwzględnej nagrzewnicy (Тн) i chłodnicy (Тх). Sprawność silnika cieplnego pracującego w cyklu Carnota określa wzór:
(Тн - Тх)/ Тн=- Тх - Тн.
Prawa termodynamiki pozwoliły nam obliczyć maksymalną możliwą wydajność. Po raz pierwszy wskaźnik ten został obliczony przez francuskiego naukowca i inżyniera Sadi Carnota. Wynalazł silnik cieplny, który działał na gazie doskonałym. Działa w cyklu 2 izoterm i 2 adiabatów. Zasada jego działania jest dość prosta: kontakt grzałki doprowadzany jest do naczynia z gazem, w wyniku czego płyn roboczy rozszerza się izotermicznie. Jednocześnie funkcjonuje i otrzymuje pewną ilość ciepła. Po termoizolacji statku. Mimo to gaz nadal się rozszerza, ale już adiabatycznie (bez wymiany ciepła z otoczeniem). W tym czasie jego temperatura spada do lodówki. W tym momencie gaz styka się z lodówką, w wyniku czego oddaje jej pewną ilość ciepła podczas kompresji izometrycznej. Następnie naczynie jest ponownie izolowane termicznie. W takim przypadku gaz jest sprężany adiabatycznie do pierwotnej objętości i stanu.
Odmiany
W naszych czasach istnieje wiele rodzajów silników cieplnych, które działają na różnych zasadach i na różnych paliwach. Wszyscy mają własną wydajność. Obejmują onenastępujące:
• Silnik spalinowy (tłok), który jest mechanizmem, w którym część energii chemicznej spalanego paliwa jest zamieniana na energię mechaniczną. Takie urządzenia mogą być gazowe i płynne. Istnieją silniki dwusuwowe i czterosuwowe. Mogą mieć ciągły cykl pracy. Zgodnie z metodą przygotowania mieszanki paliwowej, takie silniki to gaźnik (z zewnętrznym tworzeniem mieszanki) i olej napędowy (z wewnętrznym). W zależności od rodzajów konwertera energii są one podzielone na tłoki, strumienie, turbiny, połączone. Wydajność takich maszyn nie przekracza 0,5.
• Silnik Stirlinga - urządzenie, w którym płyn roboczy znajduje się w zamkniętej przestrzeni. Jest to rodzaj silnika spalinowego. Zasada jego działania opiera się na okresowym ochładzaniu/ogrzewaniu organizmu z wytworzeniem energii w wyniku zmiany jego objętości. Jest to jeden z najbardziej wydajnych silników.
• Silnik turbinowy (obrotowy) z zewnętrznym spalaniem paliwa. Takie instalacje są najczęściej spotykane w elektrociepłowniach.
• Turbinowy (obrotowy) ICE jest używany w elektrowniach cieplnych w trybie szczytowym. Nie tak powszechne jak inne.
• Silnik turbośmigłowy wytwarza część ciągu od śruby napędowej. Reszta pochodzi ze spalin. Jego konstrukcja to silnik obrotowy (turbina gazowa), na wale którego zamontowane jest śmigło.
Inne typy silników cieplnych
• Silniki rakietowe, turboodrzutowe i odrzutowe, które otrzymują ciąg z odrzutuspaliny.
• Silniki półprzewodnikowe wykorzystują jako paliwo ciała stałe. Podczas pracy zmienia się nie objętość, ale kształt. Do działania sprzętu wykorzystywana jest wyjątkowo niska różnica temperatur.
Jak poprawić wydajność
Czy można zwiększyć wydajność silnika cieplnego? Odpowiedzi należy szukać w termodynamice. Bada wzajemne przemiany różnych rodzajów energii. Ustalono, że niemożliwe jest przekształcenie całej dostępnej energii cieplnej na elektryczną, mechaniczną itp. Jednocześnie ich zamiana na energię cieplną odbywa się bez żadnych ograniczeń. Jest to możliwe dzięki temu, że natura energii cieplnej opiera się na nieuporządkowanym (chaotycznym) ruchu cząstek.
Im bardziej ciało się nagrzewa, tym szybciej poruszają się cząsteczki, które je tworzą. Ruch cząstek stanie się jeszcze bardziej chaotyczny. Wraz z tym wszyscy wiedzą, że porządek można łatwo zamienić w chaos, który jest bardzo trudny do uporządkowania.
