Ідеальний тепловий двигун.

Тепловий двигун – це пристрій, який перетворює внутрішню енергію палива в механічну. Енергія, яка виділяється під час згорання палива, через теплообмін передається газу. Газ, розширюючись, виконує роботу проти зовнішніх сил і приводить у рух механізм. Будова двигуна подана на рисунку .

 

 

 

Для того, щоб двигун працював циклічно, газ стискається, віддаючи теплоту холодильнику (навколишньому середовищу). Робоче тіло двигуна дістає кількість теплоти від нагрівника, виконує роботу А над зовнішніми тілами і передає кількість теплоти холодильнику. Оскільки система після закінчення циклу повертається до початкового стану, зміна внутрішньої енергії дорівнює нулю (DU = 0) і за першим законом термодинаміки А = Q_н–Q_х, де А - механічна робота, яку виконує газ, - кількість теплоти, одержаної від нагрівника, – кількість теплоти, переданої холодильнику.

Величина η = (ΔQн–ΔQх)/ΔQн = ΔА/ΔQн називається коефіцієнтом корисної дії (ККД) машини.

 
Французький інженер С. Карно з’ясував умови роботи ідеальної теплової машини. З усіх теплових машин, які працюють з нагрівником, що має температуру Тн, і холодильником, що має температуру Тх , найбільший коефіцієнт корисної дії має теплова машина, що працює за циклом Карно, який складається з двох ізотерм і двох адіабат. 

     Коловий процес ідеальної теплової машини  

Обчислимо роботу газу за один цикл Карно:

ΔА = ΔА₁₂ + ΔА₂₃ + ΔА₃₄  + ΔА₄₁

ΔА₁₂ = νRT₁∙ ln(V₂/V₁);   ΔА₃₄ = νRT₂∙ ln(V₄/V₃);   

 ΔА₂₃ = νc_ν ∙(T2 – T1) = - νc_ν ∙(T1 – T2) = - ΔА₄₁

З рівняння адіабати TV^γ-1 = const записаної для процесів 2-3 та 4-1 отримуємо наступне співвідношення для обємів:

V₂/V₁= V₃/V₄

Із врахуванням вище отриманих формул робота при коловому процесі циклу Карно, яку виконує ідеальний газ дорівнює:

ΔА = νRT₁∙ ln(V₂/V₁) + νRT₂∙ ln(V₄/V₃) = νR(T₁ – T₂)∙ln(V₂/V₁)

Отримаємо співвідношення для ККД теплової машини Карно. 

Він дорівнює відношенню корисної роботи до всієї затраченої  енергії.  У нашому випадку це буде відношення роботи, виконаної тепловою машиною за один цикл до кількості теплоти, взятої машиною від нагрівника:

η = (ΔQ₁–ΔQ₂)/ΔQ₁ = ΔА/ΔQ₁

Кількість теплоти, яка надійшла системі на ділянці циклу 1-2 дорівнює роботі газу під час його ізотермічного розширення на цій ділянці:

ΔQ₁₂ =  ΔА₁₂ = νRT₁∙ ln(V₂/V₁);   

Тому для ККД отримуємо:

η = ΔА/ΔQ₁ = { νR(T₁ – T₂)∙ln(V₂/V₁)}/{ νRT₁∙ ln(V₂/V₁)} = (T₁ – T₂)/T₁ = 1 – T₂/T₁ 

ККД теплової машини Карно менший одиниці. Це означає, що навіть за ідеальних умов, коли всі етапи цього процесу оборотні, а тому виконана робота максимальна, всю кількість теплоти, взятої від нагрівника, не можна без втрат перетворити у механічну роботу.

ККД реальних теплових машин значно менший від ККД ідеальної теплової машини, яка працює за циклом Карно.

Цикл Карно є прототипом ідеального робочого циклу теплового двигуна, який у реальному житті не може існувати.

Оскільки цей двигун неможливий у природі, то подальша інформація буде про теплові двигуни.

Як теплові двигуни впливають на навколишнє середовище:

Під час роботи теплових двигунів відбувається вплив на навколишнє середовище.Сьогодні, коли теплових двигунів стало дуже багато, “теплове забруднення” стало однією з найсерйозніших проблем усього людства. Під час спалювання практично усіх видів палива в теплових двигунах витрачається атмосферний кисень (у найбільш розвинених країнах електростанції, теплові станції й двигуни вже сьогодні споживають більше кисню, ніж виробляється рослинами, які ростуть у цих країнах). Крім того, утворюється багато шкідливих речовин, які забруднюють атмосферу.

Нарешті, збільшується концентрація вуглекислого газу в атмосфері, а це призводить до “парникового ефекту”, що збільшує теплове забруднення: за великої концентрації вуглекислого газу атмосфера погано пропускає теплове випромінювання Землі, у результаті чого середня температура на Землі хоча й повільно, але підвищується. Це може призвести, врешті-решт, до танення льодовиків і підйому рівня Світового океану.

Отже, за отримання корисних і сильних помічників — теплових двигунів — людям доводиться досить дорого платити. Наприклад, вдихати автомобільні вихлопи під час прогулянок по місту. Щоб зменшити негативні наслідки роботи теплових двигунів, діють у двох напрямках: з одного боку, вдосконалюють ці двигуни, підвищуючи їхній ККД і зменшуючи викиди шкідливих речовин, з іншого боку — використовують енергозберігаючі технології, розвиток яких особливо сильно підштовхнув енергетичну кризу. Наприклад, у країнах, де ці технології розробляються вже протягом десятків років, споживання енергії на виробництво тієї ж самої продукції в кілька разів нижче, ніж у країнах, що тільки зараз починають приділяти увагу енергозберігаючим технологіям.

Захист  навколишнього  середовища:

Необхідно підвищувати ефективність споруджень, що перешкоджають викиду в атмосферу шкідливих речовин, домагатися більш повного згоряння палива в автомобільних двигунах. Уже зараз не допускаються до експлуатації автомобілі з підвищеним змістом З у відпрацьованих газах. Створюють електромобілі, які здатні конкурувати зі звичайними, і можливість застосування пального без шкідливих речовин у відпрацьованих газах, наприклад у двигунах, що працюють на суміші водню з киснем.

Як  можна  збільшити  ККД  двигунів:

1

До найбільш популярних тепловим двигунів відносять газову турбіну і двигун внутрішнього згоряння (ДВЗ). Щоб підвищити ККД турбіни, потрібно збільшити температуру нагрівача і зменшити температуру холодильника. Для цього потрібно знайти такий кут нахилу лопаток, при якому велика частина енергії газу буде передаватися їм, перетворюючись в механічну. Тоді температура газу в холодильнику знизиться. Зробити це практично достатньо складно, цією проблемою сьогодні займаються кращі технічні інститути. Тому потрібно робити грубу настройку, знаходячи кут, при якому турбіна в потоці газу має найбільшу частоту обертання.

2

Потрібно розібрати кожух турбіни і очистити її лопаті і вал від забруднення, яке з'являється на них, в результаті проходження потужного газового потоку. Після цього треба змастити кріплення турбіни, в разі необхідності можна замінити підшипники на вал.

Це допоможе значно знизити силу тертя і збільшить ККД пристрою.

3

Для того щоб збільшити ККД турбіни, потрібно збільшити температуру газу, що подається на її лопаті. При цьому треба стежити, щоб турбіна постійно охолоджувалася, тобто температура холодильника значно не підвищувалася. При такому способі збільшення ККД, лопатки турбіни можуть швидко вийти з ладу.

4

Потрібно ККД ДВС, використовуючи якісне паливо, наприклад, бензин з високим октановим числом. При його згорянні виділяється більша кількість теплоти, що при рівних температурах холодильника призводить до того, що ККД двигуна підвищується. Для зменшення втрат на тертя і інертність поршневої групи, треба встановити ковані поршні, які легші і менші за розмірами. Вони витримують більш високі температури, що дозволяють форсувати двигун, допрацювавши форсунки для вприскування палива. Формування двигуна призведе до збільшення витрати палива з одночасним збільшенням потужності, тому ККД в цьому випадку не збільшиться. Для підвищення ККД ДВС своєчасно потрібно змінювати моторне масло, зменшуючи тертя між деталями двигуна.

Посилання на сайти, які були використані під час виконання даної роботи:

1.http://gutpfusik.blogspot.com/2013/02/blog-post_15.html#more

2.http://posibnyky.vntu.edu.ua/fizika/224.htm

 

3.http://ito.vspu.net/SAIT/inst_kaf/kafedru/matem_fizuka_tex_osv/www/ENK/Met_pro_nav_IT/web_pos_IT/zmist_IT/Elekt_posibn/Fizuka/nav_mat/teor/termod/yr_9_.html

  

4.http://www.refine.org.ua/pageid-4441-1.html

5.http://ehow.in.ua/82092-yak-pidvishhuvati-kkd-teplovogo-dviguna.html