Motori i nxehtësisë. Efikasiteti i motorit të nxehtësisë

Në modelin teorik të një motori ngrohjeje, tre trupa konsiderohen: ngrohës, trupi punues dhe frigorifer.

Një ngrohës është një rezervuar nxehtësie (trup i madh), temperatura e të cilit është konstante.

Në çdo cikël të funksionimit të motorit, lëngu i punës merr një sasi të caktuar të nxehtësisë nga ngrohësi, zgjerohet dhe kryen punë mekanike. Transferimi i një pjese të energjisë së marrë nga ngrohësi në frigorifer është i nevojshëm për të kthyer lëngun e punës në gjendjen e tij origjinale.

Meqenëse modeli supozon se temperatura e ngrohësit dhe frigoriferit nuk ndryshon gjatë funksionimit të motorit të nxehtësisë, atëherë në fund të ciklit: ngrohje-zgjerim-ftohje-ngjeshje e lëngut të punës, konsiderohet se makina kthehet në gjendjen e tij origjinale.

Për secilin cikël, bazuar në ligjin e parë të termodinamikës, ne mund të shkruajmë se sasia e nxehtësisë Pyetje nxehtësia e marrë nga ngrohësi, sasia e nxehtësisë | Pyetje i ftohtë | i dhënë frigoriferit, dhe punon në mënyrë perfekte nga trupi punues A lidhen me raportin:

A = Pyetje ngarkesa - | Pyetje ftohtë |.

Në pajisjet teknike të vërteta, të cilat quhen motorë të nxehtësisë, lëngu i punës nxehet nga nxehtësia e lëshuar gjatë djegies së karburantit. Pra, në një turbinë me avull të një termocentrali, ngrohësi është një furrë me qymyr të nxehtë. Në një motor me djegie të brendshme (ICE), produktet e djegies mund të konsiderohen si një ngrohës, dhe ajri i tepërt mund të konsiderohet një lëng pune. Ata përdorin ajrin ose ujin atmosferik nga burimet natyrore si frigorifer.

Efikasiteti i motorit të nxehtësisë (makinës)

Koeficienti i efikasitetit të motorit të nxehtësisë (Efikasiteti)është raporti i punës së bërë nga motori me sasinë e nxehtësisë së marrë nga ngrohësi:

Efikasiteti i çdo motori të nxehtësisë është më pak se një dhe shprehet si përqindje. Pamundësia e shndërrimit të të gjithë sasisë së nxehtësisë të marrë nga ngrohësi në punë mekanike është një pagesë për nevojën për të organizuar një proces ciklik dhe rrjedh nga ligji i dytë i termodinamikës.

Në motorët e nxehtësisë reale, efikasiteti përcaktohet nga fuqia eksperimentale mekanike N motori dhe sasia e karburantit të djegur për njësi të kohës. Pra, nëse me kohë t karburant masiv i djegur m dhe nxehtësia specifike e djegies q, atëherë

Për automjetet, karakteristika referuese është shpesh vëllimi V karburanti u dogj gjatë rrugës s me fuqi mekanike të motorit N dhe me shpejtësi. Në këtë rast, duke marrë parasysh densitetin r të karburantit, është e mundur të shkruhet formula për llogaritjen e efikasitetit:

Ligji i dytë i termodinamikës

Ka disa formulime ligji i dytë i termodinamikës... Njëri prej tyre thotë se një motor nxehtësie është i pamundur, i cili do të funksiononte vetëm në kurriz të një burimi të nxehtësisë, d.m.th. pa frigorifer. Oqeanet mund të shërbejnë për të, praktikisht, një burim i pashtershëm i energjisë së brendshme (Wilhelm Friedrich Ostwald, 1901).

Formulime të tjera të ligjit të dytë të termodinamikës janë ekuivalente me këtë.

Formulimi i Clausius(1850): një proces në të cilin nxehtësia do të kalonte spontanisht nga trupat më pak të nxehtë në trupat më të nxehtë është i pamundur.

Formulimi i Thomson(1851): një proces rrethor është i pamundur, rezultati i vetëm i të cilit do të ishte prodhimi i punës duke zvogëluar energjinë e brendshme të rezervuarit të nxehtësisë.

Formulimi i Clausius(1865): të gjitha proceset spontane në një sistem të mbyllur jo të ekuilibrit ndodhin në një drejtim në të cilin rritet entropia e sistemit; në një gjendje të ekuilibrit termik, është maksimale dhe konstante.

Formulimi i Boltzmann(1877): një sistem i mbyllur me shumë grimca kalon spontanisht nga një gjendje më e rregulluar në një më pak të rregulluar. Dalja spontane e sistemit nga pozicioni i ekuilibrit është i pamundur. Boltzmann prezantoi një masë sasiore të çrregullimit në një sistem të përbërë nga shumë trupa - entropi.

Efikasiteti i një motori të nxehtësisë me një gaz ideal si një lëng pune

Nëse jepet një model i lëngut të punës në një motor nxehtësie (për shembull, një gaz ideal), atëherë është e mundur të llogaritet ndryshimi në parametrat termodinamikë të lëngut të punës gjatë zgjerimit dhe tkurrjes. Kjo ju lejon të llogaritni efikasitetin e një motori ngrohjeje bazuar në ligjet e termodinamikës.

Figura tregon ciklet për të cilat efikasiteti mund të llogaritet nëse lëngu i punës është një gaz ideal dhe parametrat vendosen në pikat e kalimit nga një proces termodinamik në tjetrin.

Cikli Carnot. Efikasiteti i një motori ideal të nxehtësisë

Efikasiteti më i lartë në temperaturat e dhëna të ngrohësit T ngrohje dhe frigorifer T i ftohti ka një motor nxehtësie, ku lëngu i punës zgjerohet dhe tkurret së bashku cikli Carnot(Fig. 2), grafiku i të cilit përbëhet nga dy izoterma (2–3 dhe 4–1) dhe dy adiabat (3–4 dhe 1–2).

Teorema e Carnot dëshmon se efikasiteti i një motori të tillë nuk varet nga lëngu i punës i përdorur, prandaj mund të llogaritet duke përdorur marrëdhëniet termodinamike për një gaz ideal:

Ndikimet mjedisore të motorëve të nxehtësisë

Përdorimi intensiv i motorëve të nxehtësisë në transport dhe energji (termocentralet bërthamore) ka një ndikim të rëndësishëm në biosferën e Tokës. Megjithëse ka mosmarrëveshje shkencore në lidhje me mekanizmat e ndikimit të jetës njerëzore në klimën e Tokës, shumë shkencëtarë vërejnë faktorët për shkak të të cilëve mund të ndodhë një ndikim i tillë:

1. Efekti serë është një rritje e përqendrimit të dioksidit të karbonit (një produkt i djegies në ngrohësit e motorëve të nxehtësisë) në atmosferë. Dioksidi i karbonit transmeton rrezatim të dukshëm dhe ultravjollcë nga Dielli, por thith rrezatimin infra të kuqe që udhëton në hapësirë ​​nga Toka. Kjo çon në një rritje të temperaturës së atmosferës më të ulët, rritjen e erërave të uraganit dhe shkrirjen e akullit global.
2. Ndikimi i drejtpërdrejtë i gazrave toksikë të shkarkimit në kafshët e egra (kancerogjene, smog, shi acid nga nënproduktet e djegies).
3. Shterimi i shtresës së ozonit gjatë fluturimeve të avionëve dhe lëshimit të raketave. Ozoni në atmosferën e sipërme mbron gjithë jetën në Tokë nga rrezatimi i tepërt ultraviolet nga Dielli.

Mënyra për të dalë nga kriza mjedisore në zhvillim qëndron në rritjen e efikasitetit të motorëve të nxehtësisë (efikasiteti i motorëve modern të nxehtësisë rrallë tejkalon 30%); përdorimi i motorëve të funksionueshëm dhe neutralizuesve të gazrave të dëmshëm të shkarkimit; përdorimi i burimeve alternative të energjisë (panele diellore dhe ngrohje) dhe mjeteve alternative të transportit (biçikleta, etj.).

6.3 Ligji i dytë i termodinamikës

6.3.1. Efikasiteti motorët e nxehtësisë. Cikli Carnot

Ligji i dytë i termodinamikës doli nga analiza e funksionimit të motorëve të nxehtësisë (makinave). Në formulimin e Kelvin, duket kështu: një proces rrethor është i pamundur, rezultati i vetëm i të cilit është transformimi i nxehtësisë së marrë nga ngrohësi në një punë ekuivalente.

Skema e funksionimit të një motori të nxehtësisë (motori i nxehtësisë) është treguar në Fig. 6.3

Oriz. 6.3

Cikli i motorit të nxehtësisë përbëhet nga tre faza:

1) ngrohësi transferon sasinë e nxehtësisë Q 1 në gaz;

2) gazi, duke u zgjeruar, kryen punën A;

3) nxehtësia Q 2 transferohet në frigorifer për ta kthyer gazin në gjendjen e tij origjinale.

Nga ligji i parë i termodinamikës për një proces ciklik

P = A,

ku Q është sasia e nxehtësisë e marrë nga gazi për cikël, Q = Q 1 - Q 2; P 1 - sasia e nxehtësisë së transferuar në gaz nga ngrohësi; P 2 - sasia e nxehtësisë e lëshuar nga gazi në frigorifer.

Prandaj, për një motor ideal të nxehtësisë, barazia

P 1 - Q 2 = A.

Kur nuk ka humbje të energjisë (për shkak të fërkimit dhe shpërndarjes së tij në mjedis), gjatë funksionimit të motorëve të nxehtësisë, ligji i ruajtjes së energjisë

Q 1 = A + Q 2,

ku Q 1 është nxehtësia e transferuar nga ngrohësi në lëngun e punës (gaz); A - punë e bërë me gaz; Q 2 është nxehtësia e transferuar nga gazi në frigorifer.

Efikasiteti një motor nxehtësie llogaritet duke përdorur një nga formulat:

η = A Q 1 ⋅ 100%, η = Q 1 - Q 2 Q 1 ⋅ 100%, η = (1 - Q 2 Q 1) 100%,

ku A është puna e bërë nga gazi; Q 1 - nxehtësia e transferuar nga ngrohësi në lëngun e punës (gaz); Q 2 është nxehtësia e transferuar nga gazi në frigorifer.

Cikli Carnot përdoret më shpesh në motorët e nxehtësisë, pasi është më ekonomiku.

Cikli Carnot përbëhet nga dy izoterma dhe dy adiabat të treguar në Fig. 6.4

Oriz. 6.4

Seksioni 1–2 korrespondon me kontaktin e substancës së punës (gazit) me ngrohësin. Në këtë rast, ngrohësi transferon nxehtësinë Q 1 në gaz dhe zgjerimi izotermik i gazit ndodh në temperaturën e ngrohësit T 1. Gazi bën punë pozitive (A 12> 0), energjia e tij e brendshme nuk ndryshon (∆U 12 = 0).

Seksioni 2-3 korrespondon me zgjerimin adiabatik të gazit. Në këtë rast, shkëmbimi i nxehtësisë me mjedisin e jashtëm nuk ndodh, puna pozitive e kryer A 23 çon në një rënie të energjisë së brendshme të gazit: ∆U 23 = −A 23, gazi ftohet në temperaturën e frigoriferit T 2

Seksioni 3-4 korrespondon me kontaktin e substancës së punës (gazit) me frigoriferin. Në këtë rast, nxehtësia Q 2 furnizohet në frigorifer nga gazi dhe ngjeshja izotermike e gazit ndodh në temperaturën e frigoriferit T 2. Gazi bën punë negative (A 34< 0), его внутренняя энергия не изменяется (∆U 34 = 0).

Seksioni 4-1 korrespondon me ngjeshjen e gazit adiabatik. Në këtë rast, shkëmbimi i nxehtësisë me mjedisin e jashtëm nuk ndodh, puna negative e kryer A 41 çon në një rritje të energjisë së brendshme të gazit: ∆U 41 = −A 41, gazi nxehet në temperaturën e ngrohësit T 1 , dmth kthehet në gjendjen e tij origjinale.

Efikasiteti i një motori ngrohjeje që funksionon sipas ciklit Carnot llogaritet duke përdorur një nga formulat:

η = T 1 - T 2 T 1 ⋅ 100%, η = (1 - T 2 T 1) 100%,

ku T 1 është temperatura e ngrohësit; T 2 është temperatura e frigoriferit.

Shembulli 9. Një motor ideal i nxehtësisë kryen punë prej 400 J. për cikël.Cila sasi e nxehtësisë transferohet në këtë rast në frigorifer, nëse efikasiteti i makinës është 40%?

Zgjidhja. Efikasiteti i një motori të nxehtësisë përcaktohet nga formula

η = A Q 1 ⋅ 100%,

ku A është puna e bërë nga gazi për cikël; P 1 - sasia e nxehtësisë që transferohet nga ngrohësi në lëngun e punës (gaz).

Vlera e dëshiruar është sasia e nxehtësisë Q 2 e transferuar nga lëngu i punës (gazi) në frigorifer, i cili nuk përfshihet në formulën e shkruar.

Marrëdhënia midis punës A, nxehtësisë Q 1 të transferuar nga ngrohësi në gaz dhe vlerës së dëshiruar Q 2 përcaktohet duke përdorur ligjin e ruajtjes së energjisë për një motor ideal të nxehtësisë

Q 1 = A + Q 2.

Ekuacionet formojnë sistemin

η = A Q 1 ⋅ 100%, Q 1 = A + Q 2,)

e cila duhet të zgjidhet për P 2.

Për ta bërë këtë, ne përjashtojmë Q 1 nga sistemi, duke u shprehur nga çdo ekuacion

Q 1 = A η ⋅ 100%, Q 1 = A + Q 2)

dhe duke shkruar barazinë e anëve të djathta të shprehjeve të marra:

A η ⋅ 100% = A + Q 2.

Vlera e kërkuar përcaktohet nga barazia

Q 2 = A η ⋅ 100% - A = A (100% η - 1).

Llogaritja jep vlerën:

Q 2 = 400 ⋅ (100% 40% - 1) = 600 J.

Sasia e nxehtësisë së transferuar për cikël nga gazi në frigoriferin e një motori ideal të nxehtësisë është 600 J.

Shembulli 10. Në një motor ideal të nxehtësisë, 122 kJ / min furnizohet nga ngrohësi në gaz, dhe 30.5 kJ / min transferohet nga gazi në ftohës. Llogaritni efikasitetin e këtij motori ideal të nxehtësisë.

Zgjidhja. Për të llogaritur efikasitetin, ne do të përdorim formulën

η = (1 - Q 2 Q 1) 100%,

ku Q 2 - sasia e nxehtësisë që transferohet për cikël nga gazi në frigorifer; P 1 - sasia e nxehtësisë që transferohet për cikël nga ngrohësi në lëngun e punës (gaz).

Ne e transformojmë formulën duke ndarë numëruesin dhe emëruesin e thyesës me kohën t:

η = (1 - Q 2 / t Q 1 / t) ⋅ 100%,

ku Q 2 / t është shkalla e transferimit të nxehtësisë nga gazi në frigorifer (sasia e nxehtësisë që transferohet nga gazi në frigorifer për sekondë); Q 1 / t është shkalla e transferimit të nxehtësisë nga ngrohësi në lëngun e punës (sasia e nxehtësisë që transferohet nga ngrohësi në gaz për sekondë).

Në deklaratën e problemit, shkalla e transferimit të nxehtësisë përcaktohet në xhaul në minutë; le ta përkthejmë në xhaul për sekondë:

• nga ngrohësi në gaz -

Q 1 t = 122 kJ / min = 122 ⋅ 10 3 60 J / s;

• nga gazi në frigorifer -

Q 2 t = 30.5 kJ / min = 30.5 ⋅ 10 3 60 J / s.

Le të llogarisim efikasitetin e këtij motori ideal të nxehtësisë:

η = (1 - 30.5 ⋅ 10 3 60 ⋅ 60 122 ⋅ 10 3) ⋅ 100% = 75%.

Shembulli 11. Efikasiteti i një motori ngrohjeje që funksionon sipas ciklit Carnot është 25%. Sa herë do të rritet efikasiteti nëse temperatura e ngrohësit rritet dhe temperatura e frigoriferit zvogëlohet me 20%?

Zgjidhja. Efikasiteti i një motori ideal të nxehtësisë që funksionon sipas ciklit Carnot përcaktohet nga formula e mëposhtme:

• para se të ndryshoni temperaturat e ngrohësit dhe frigoriferit -

η 1 = (1 - T 2 T 1) 100%,

ku T 1 është temperatura fillestare e ngrohësit; T 2 është temperatura fillestare e frigoriferit;

• pas ndryshimit të temperaturave të ngrohësit dhe frigoriferit -

η 2 = (1 - T ′ 2 T ′ 1) ⋅ 100%,

ku T ′ 1 është temperatura e re e ngrohësit, T ′ 1 = 1.2 T 1; T ′ 2 është temperatura e re e frigoriferit, T ′ 2 = 0.8 T 2.

Ekuacionet për efikasitetin formojnë sistemin

η 1 = (1 - T 2 T 1) ⋅ 100%, η 2 = (1 - 0.8 T 2 1.2 T 1) 100%,)

e cila duhet të zgjidhet për η 2.

Nga ekuacioni i parë i sistemit, duke marrë parasysh vlerën η 1 = 25%, gjejmë raportin e temperaturës

T 2 T 1 = 1 - η 1 100% = 1 - 25% 100% = 0.75

dhe zëvendësim në ekuacionin e dytë

η 2 = (1 - 0.8 1.2 ⋅ 0.75) 100% = 50%.

Raporti i dëshiruar i efikasitetit është i barabartë me:

η 2 η 1 = 50% 25% = 2.0.

Si pasojë, ndryshimi i treguar në temperaturat e ngrohësit dhe frigoriferit të motorit të nxehtësisë do të çojë në një rritje të efikasitetit me një faktor 2.

Realitetet moderne nënkuptojnë përdorimin e gjerë të motorëve të nxehtësisë. Përpjekjet e shumta për t'i zëvendësuar ato me motorë elektrikë kanë dështuar deri më tani. Problemet që lidhen me akumulimin e energjisë elektrike në sistemet autonome zgjidhen me vështirësi të mëdha.

Problemet e teknologjisë së prodhimit të akumulatorëve të energjisë elektrike, duke marrë parasysh përdorimin e tyre afatgjatë, janë akoma urgjente. Karakteristikat e shpejtësisë së automjeteve elektrike janë shumë larg atyre të makinave të mundësuar nga motorë me djegie të brendshme.

Hapat e parë në krijimin e motorëve hibridë mund të zvogëlojnë ndjeshëm emetimet e dëmshme në megacitetet, duke zgjidhur problemet mjedisore.

Pak histori

Mundësia e shndërrimit të energjisë së avullit në energji të lëvizjes ishte e njohur në antikitet. 130 para Krishtit: Filozofi Heron i Aleksandrisë i paraqiti auditorit një lodër me avull - eolipil. Sfera, e mbushur me avull, erdhi në rrotullim nën veprimin e avionëve që burojnë prej saj. Ky prototip i turbinave moderne me avull nuk u përdor në ato ditë.

Për shumë vite dhe shekuj, zhvillimi i filozofit u konsiderua vetëm një lodër qesharake. Në 1629 italiani D. Branchi krijoi një turbinë aktive. Avulli vuri në lëvizje një disk të pajisur me tehe.

Që nga ai moment, filloi zhvillimi i shpejtë i motorëve me avull.

Makinë ngrohëse

Shndërrimi i karburantit në energjinë e lëvizjes së pjesëve të makinave dhe mekanizmave përdoret në motorët e nxehtësisë.

Pjesët kryesore të makinave: një ngrohës (një sistem për marrjen e energjisë nga jashtë), një lëng pune (kryen një veprim të dobishëm), një frigorifer.

Ngrohësi është projektuar në mënyrë që lëngu i punës të grumbullojë një furnizim të mjaftueshëm të energjisë së brendshme për punë të dobishme. Frigoriferi largon energjinë e tepërt.

Karakteristika kryesore e efikasitetit quhet efikasiteti i motorëve të nxehtësisë. Kjo vlerë tregon se cila pjesë e energjisë së shpenzuar për ngrohje shpenzohet për të bërë punë të dobishme. Sa më i lartë efikasiteti, aq më fitimprurës funksionimi i makinës, por kjo vlerë nuk mund të kalojë 100%.

Llogaritja e efikasitetit

Lëreni ngrohësin të marrë energji nga jashtë e barabartë me Q 1. Trupi punues bëri punën A, ndërsa energjia e dhënë në frigorifer ishte Q 2.

Bazuar në përkufizimin, ne llogarisim vlerën e efikasitetit:

η = A / Q 1. Le të marrim parasysh se A = Q 1 - Q 2.

Prandaj, efikasiteti i motorit të nxehtësisë, formula e të cilit ka formën η = (Q 1 - Q 2) / Q 1 = 1 - Q 2 / Q 1, na lejon të nxjerrim përfundimet e mëposhtme:

• Efikasiteti nuk mund të kalojë 1 (ose 100%);
• për të maksimizuar këtë vlerë, ose është e nevojshme një rritje e energjisë së marrë nga ngrohësi ose një rënie në energjinë e furnizuar në frigorifer;
• rritja e energjisë së ngrohësit arrihet duke ndryshuar cilësinë e karburantit;
• zvogëlimi i energjisë së dhënë në frigorifer, ju lejon të arrini tiparet e projektimit të motorëve.

Motori ideal i nxehtësisë

A është e mundur të krijohet një motor i tillë, efikasiteti i të cilit do të ishte maksimal (idealisht i barabartë me 100%)? Fizikanti teorik francez dhe inxhinieri i talentuar Sadi Carnot u përpoq të gjente një përgjigje për këtë pyetje. Në 1824, llogaritjet e tij teorike në lidhje me proceset që ndodhin në gazra u botuan.

Ideja kryesore e natyrshme në një makinë ideale është kryerja e proceseve të kthyeshme me një gaz ideal. Ne fillojmë duke zgjeruar gazin në mënyrë izotermike në një temperaturë T 1. Sasia e nxehtësisë që kërkohet për këtë është Q 1. Pasi gazi të zgjerohet pa shkëmbim të nxehtësisë. Pasi të ketë arritur temperaturën T 2, gazi ngjeshet në mënyrë izotermike, duke transferuar energjinë Q 2 në frigorifer. Kthimi i gazit në gjendjen e tij origjinale kryhet në mënyrë adiabatike.

Efikasiteti i një motori ideal të nxehtësisë Carnot, kur llogaritet me saktësi, është i barabartë me raportin e ndryshimit të temperaturës midis pajisjeve të ngrohjes dhe ftohjes me temperaturën që ka ngrohësi. Duket kështu: η = (T 1 - T 2) / T 1.

Efikasiteti i mundshëm i një motori të nxehtësisë, formula e të cilit ka formën: η = 1 - T 2 / T 1, varet vetëm nga vlerat e temperaturave të ngrohësit dhe ftohësit dhe nuk mund të jetë më shumë se 100%.

Për më tepër, ky raport bën të mundur vërtetimin se efikasiteti i motorëve të nxehtësisë mund të jetë i barabartë me unitetin vetëm kur frigoriferi arrin temperaturat. Siç e dini, kjo vlerë është e paarritshme.

Llogaritjet teorike të Karnot bëjnë të mundur përcaktimin e efikasitetit maksimal të një motori të nxehtësisë të çdo dizajni.

Teorema e vërtetuar nga Carnot tingëllon si më poshtë. Një motor ngrohje arbitrar nuk është në asnjë rrethanë i aftë të ketë një koeficient efikasiteti më të madh se ai i një motori ideal të nxehtësisë.

Shembull i zgjidhjes së problemeve

Shembulli 1 Cila është efikasiteti i një motori ideal të ngrohjes nëse temperatura e ngrohësit është 800 ° C dhe temperatura e frigoriferit është 500 ° C më e ulët?

T 1 = 800 о С = 1073 K, ∆T = 500 о С = 500 К, η -?

Sipas përkufizimit: η = (T 1 - T 2) / T 1.

Nuk na jepet temperatura e frigoriferit, por ∆T = (T 1 - T 2), prandaj:

η = ∆T / T 1 = 500 K / 1073 K = 0.46.

Përgjigje: efikasiteti = 46%.

Shembulli 2 Përcaktoni efikasitetin e një motori ideal të nxehtësisë nëse kryhet një punë e dobishme prej 650 J. për shkak të një kilojoule të blerë të energjisë së ngrohësit. Sa është temperatura e ngrohësit të motorit të nxehtësisë nëse temperatura e ftohësit është 400 K?

Q 1 = 1 kJ = 1000 J, A = 650 J, T 2 = 400 K, η -?, T 1 =?

Në këtë problem, ne po flasim për një instalim termik, efikasiteti i të cilit mund të llogaritet me formulën:

Për të përcaktuar temperaturën e ngrohësit, ne përdorim formulën për efikasitetin e një motori ideal të nxehtësisë:

η = (T 1 - T 2) / T 1 = 1 - T 2 / T 1.

Pas kryerjes së transformimeve matematikore, marrim:

T 1 = T 2 / (1- η).

T 1 = T 2 / (1- A / Q 1).

Le të llogarisim:

η = 650 J / 1000 J = 0.65.

T 1 = 400 K / (1- 650 J / 1000 J) = 1142.8 K.

Përgjigje: η = 65%, T 1 = 1142.8 K.

Kushtet reale

Motori ideal i nxehtësisë është krijuar me proceset ideale në mendje. Puna kryhet vetëm në procese izotermale, vlera e saj përcaktohet si zona e kufizuar nga grafiku i ciklit Carnot.

Në fakt, është e pamundur të krijohen kushte për procesin e ndryshimit të gjendjes së gazit pa shoqëruar ndryshimet e temperaturës. Nuk ka materiale që do të përjashtonin shkëmbimin e nxehtësisë me objektet përreth. Bëhet e pamundur të kryhet procesi adiabatik. Në rastin e shkëmbimit të nxehtësisë, temperatura e gazit duhet domosdoshmërisht të ndryshojë.

Efikasiteti i motorëve të nxehtësisë të krijuar në kushte reale është dukshëm i ndryshëm nga efikasiteti i motorëve ideal. Vini re se rrjedha e proceseve në motorët e vërtetë ndodh aq shpejt sa ndryshimi i energjisë termike të brendshme të substancës punuese në procesin e ndryshimit të vëllimit të tij nuk mund të kompensohet nga hyrja e sasisë së nxehtësisë nga ngrohësi dhe kthimi në frigorifer.

Motorë të tjerë të nxehtësisë

Motorët e vërtetë funksionojnë në cikle të ndryshme:

• Cikli Otto: procesi në vëllim konstant ndryshon adiabatik, duke krijuar një cikël të mbyllur;
• Cikli i naftës: izobar, adiabat, isochore, adiabat;
• procesi, i cili ndodh në presion të vazhdueshëm, zëvendësohet me një adiabatik dhe mbyll ciklin.

Nuk është e mundur të krijohen procese ekuilibri në motorët e vërtetë (për t'i sjellë ato më afër atyre ideale) në kushtet e teknologjisë moderne. Efikasiteti i makinave të ngrohjes është shumë më i ulët, madje duke marrë parasysh të njëjtat kushte të temperaturës si në një instalim termik ideal.

Por ju nuk duhet të zvogëloni rolin e formulës së llogaritjes për efikasitetin, pasi është ajo që bëhet pika fillestare në procesin e punës për rritjen e efikasitetit të motorëve të vërtetë.

Mënyrat për të ndryshuar efikasitetin

Krahasimi i motorëve të nxehtësisë ideale dhe reale, vlen të përmendet se temperatura e frigoriferit të këtij të fundit nuk mund të jetë asnjë. Zakonisht, atmosfera konsiderohet të jetë një frigorifer. Theshtë e mundur të pranohet temperatura e atmosferës vetëm në llogaritjet e përafërta. Përvoja tregon se temperatura e ftohësit është e barabartë me temperaturën e gazrave të shkarkimit në motorë, siç është rasti në motorët me djegie të brendshme (shkurt ICE).

ICE është motori më i zakonshëm i nxehtësisë në botën tonë. Efikasiteti i motorit të nxehtësisë në këtë rast varet nga temperatura e krijuar nga karburanti i djegies. Një ndryshim domethënës midis motorit me djegie të brendshme dhe motorëve me avull është bashkimi i funksioneve të ngrohësit dhe mediumit të punës të pajisjes në përzierjen e karburantit ajër. Duke u djegur, përzierja krijon presion mbi pjesët lëvizëse të motorit.

Shtë arritur një rritje e temperaturës së gazrave të punës, duke ndryshuar ndjeshëm vetitë e karburantit. Fatkeqësisht, është e pamundur ta bësh këtë pafundësisht. Çdo material nga i cili është bërë dhoma e djegies së motorit ka pikën e vet të shkrirjes. Rezistenca ndaj nxehtësisë e materialeve të tilla është karakteristika kryesore e motorit, si dhe aftësia për të ndikuar ndjeshëm në efikasitetin.

Vlerat e efikasitetit të motorëve

Nëse marrim parasysh temperaturën e avullit të punës në hyrjen e së cilës është e barabartë me 800 K, dhe temperaturën e gazit të shkarkimit - 300 K, atëherë efikasiteti i kësaj makine është 62%. Në realitet, megjithatë, kjo vlerë nuk kalon 40%. Një rënie e tillë ndodh për shkak të humbjeve të nxehtësisë gjatë ngrohjes së strehimit të turbinës.

Vlera më e lartë e djegies së brendshme nuk kalon 44%. Rritja e kësaj vlere është çështje e së ardhmes së afërt. Ndryshimi i vetive të materialeve, lëndëve djegëse është një problem në të cilin po punojnë mendjet më të mira të njerëzimit.

Kur flasim për kthyeshmërinë e proceseve, duhet të kihet parasysh se ky është një lloj idealizimi. Të gjitha proceset reale janë të pakthyeshme, prandaj, ciklet sipas të cilave funksionojnë motorët e nxehtësisë janë gjithashtu të pakthyeshëm, dhe për këtë arsye jo të ekuilibruar. Sidoqoftë, për të thjeshtuar vlerësimet sasiore të cikleve të tilla, është e nevojshme t'i konsideroni ato ekuilibër, domethënë, sikur të përbëheshin vetëm nga procese ekuilibri. Kjo kërkohet nga një aparat i zhvilluar mirë i termodinamikës klasike.

Cikli i famshëm i një motori ideal Carnot konsiderohet të jetë një proces rrethor ekuilibër invers. Në jetën reale, çdo cikël mund të mos jetë i përsosur pasi ka humbje. Ajo zhvillohet midis dy burimeve të nxehtësisë me temperatura konstante në shkëmbyesin e nxehtësisë T 1 dhe lavaman T 2, si dhe lëngu i punës, i cili merret si një gaz ideal (Fig. 3.1).

Oriz. 3.1 Cikli i motorit të nxehtësisë

Ne supozojmë se T 1 > T 2 dhe heqja e nxehtësisë nga lavamani dhe furnizimi i nxehtësisë me lavamanin nuk ndikojnë në temperaturat e tyre, T 1 dhe T 2 mbeten konstante. Le të përcaktojmë parametrat e gazit në pozicionin ekstrem të majtë të pistonit të motorit të nxehtësisë: presioni - R 1 vëllimi - V 1, temperatura T 1 Kjo është pika 1 në tabelën në akset P-V Në këtë moment, gazi (lëngu i punës) ndërvepron me shkëmbyesin e nxehtësisë, temperatura e të cilit është gjithashtu T 1 Kur pistoni lëviz në të djathtë, presioni i gazit në cilindër zvogëlohet dhe vëllimi rritet. Kjo do të vazhdojë derisa pistoni të arrijë pozicionin e përcaktuar nga pika 2, ku parametrat e lëngut të punës (gazit) do të marrin vlerat P 2, V 2, T 2... Temperatura në këtë pikë mbetet e pandryshuar, pasi temperatura e gazit dhe lavamanit është e njëjtë gjatë kalimit të pistonit nga pika 1 në pikën 2 (zgjerimi). Një proces i tillë në të cilin T nuk ndryshon, quhet izotermik dhe kurba 1–2 quhet izotermë. Në këtë proces, nxehtësia transferohet nga shkëmbyesi i nxehtësisë në lëngun e punës P 1.

Në pikën 2, cilindri është plotësisht i izoluar nga mjedisi i jashtëm (nuk ka shkëmbim të nxehtësisë) dhe me lëvizjen e mëtejshme të pistonit në të djathtë, presioni zvogëlohet dhe vëllimi rritet përgjatë kurbës 2-3, e cila quhet adiabat(proces pa shkëmbim të nxehtësisë me mjedisin e jashtëm). Kur pistoni lëviz në pozicionin e djathtë ekstrem (pika 3), procesi i zgjerimit do të përfundojë dhe parametrat do të kenë vlerat P 3, V 3, dhe temperatura do të jetë e barabartë me temperaturën e lavamanit T 2 Me këtë pozicion të pistonit, izolimi i lëngut të punës zvogëlohet dhe ndërvepron me lavamanin. Nëse tani rrisim presionin mbi pistonin, atëherë ai do të lëvizë në të majtë në një temperaturë konstante T 2(ngjeshja). Kjo do të thotë që ky proces kompresimi do të jetë izotermik. Në këtë proces, ngrohtësia P2 do të kalojë nga lëngu i punës në lavamanin e nxehtësisë. Pistoni, duke lëvizur në të majtë, do të vijë në pikën 4 me parametra P 4, V 4 dhe T 2, ku lëngu i punës është përsëri i izoluar nga mjedisi i jashtëm. Kompresimi i mëtejshëm ndodh përgjatë adiabat 4-1 me rritjen e temperaturës. Në pikën 1, kompresimi përfundon me parametrat e lëngut të punës P 1, V 1, T 1... Pistoni është kthyer në gjendjen e tij origjinale. Në pikën 1, izolimi i lëngut të punës nga mjedisi i jashtëm hiqet dhe cikli përsëritet.

Efikasiteti i një motori ideal Carnot.

Detyra 15.1.1. Figurat 1, 2 dhe 3 tregojnë grafikët e tre proceseve ciklike që ndodhin me një gaz ideal. Në cilin nga këto procese gazi ka kryer punë pozitive gjatë ciklit?

Detyra 15.1.3. Një gaz ideal, pasi ka përfunduar një proces ciklik, u kthye në gjendjen e tij fillestare. Sasia totale e nxehtësisë e marrë nga gazi gjatë gjithë procesit (diferenca midis sasisë së nxehtësisë së marrë nga ngrohësi dhe sasisë së nxehtësisë së dhënë në frigorifer) është e barabartë me. Çfarë pune bëri gazi gjatë ciklit?

Detyra 15.1.5. Figura tregon një grafik të procesit ciklik që ndodh me gaz. Parametrat e procesit tregohen në grafik. Çfarë lloj pune bën gazi gjatë këtij procesi ciklik?

Detyra 15.1.6. Një gaz ideal kryen një proces ciklik, grafiku në koordinata është treguar në figurë. Dihet që procesi 2-3 është izokorik; në proceset 1–2 dhe 3–1, gazi funksionoi dhe, respektivisht. Çfarë pune bëri gazi gjatë ciklit?

Detyra 15.1.7. Efikasiteti i motorit të nxehtësisë tregon

Detyra 15.1.8. Gjatë ciklit, motori i nxehtësisë merr sasinë e nxehtësisë nga ngrohësi dhe i jep sasinë e nxehtësisë frigoriferit. Cila është formula për përcaktimin e efikasitetit të motorit?

Detyra 15.1.10. Efikasiteti i një motori ideal të nxehtësisë që funksionon sipas ciklit Carnot është 50%. Temperatura e ngrohësit është dyfishuar, temperatura e frigoriferit nuk ndryshon. Cila do të jetë efikasiteti i motorit ideal të nxehtësisë që rezulton?