Жылуулук кыймылдаткычы: цикл, иш, эффективдүүлүк. Термикалык машиналардын экологиялык проблемалары. идеалдуу жылуулук кыймылдаткычы деген эмне?

2024 Автор: Angel Austin | [email protected]. Акыркы өзгөртүү: 2023-12-17 05:34

Механикалык энергияны өндүрүштө колдонуу зарылдыгы жылуулук кыймылдаткычтарынын пайда болушуна алып келди.

Жылуулук кыймылдаткычтарынын дизайны

Жылуулук кыймылдаткычы (жылуулук кыймылдаткычы) - ички энергияны механикалык энергияга айландыруучу түзүлүш.

Ар кандай жылуулук машинасында жылыткыч, жумушчу суюктук (газ же буу) болот, ал ысытуунун натыйжасында жумуш аткарат (турбинанын валын айлантат, поршеньди кыймылдатат жана башкалар) жана муздаткыч. Төмөнкү сүрөттө жылуулук кыймылдаткычынын диаграммасы көрсөтүлгөн.

Жылуулук кыймылдаткычтарынын негиздери

Ар бир жылуулук кыймылдаткычы кыймылдаткычтын аркасында иштейт. Жумушту аткаруу үчүн ал кыймылдаткычтын поршенинин же турбинанын бычактарынын эки тарабында басымдын айырмасы болушу керек. Бул айырмачылык бардык жылуулук машиналарында төмөнкүчө ишке ашат: жумушчу суюктуктун температурасы айлана-чөйрөнүн температурасына салыштырмалуу жүздөгөн же миңдеген градуска жогорулайт. Газ турбиналарында жана ичтен күйүүчү кыймылдаткычтарда (ICEs) температура кыймылдаткычтын ичинде күйүүчү майдын күйүп кетишинен улам жогорулайт. Муздаткыч атмосфера же бөлүнүп чыккан бууну конденсациялоо жана муздатуу үчүн атайын арналган түзүлүш болушу мүмкүн.

Карно цикли

Цикл (айланма процесс) - газдын абалынын өзгөрүшүнүн жыйындысы, анын натыйжасында ал өзүнүн баштапкы абалына келет (ал жумуш аткара алат). 1824-жылы француз физиги Сади Карно изотермиялык жана адиабаттык эки процесстен турган жылуулук кыймылдаткычынын цикли (Карно цикли) пайдалуу экенин көрсөткөн. Төмөнкү сүрөттө Карно циклинин графиги көрсөтүлгөн: 1-2 жана 3-4 - изотермалар, 2-3 жана 4-1 - адиабаттар.

Энергиянын сакталуу мыйзамына ылайык кыймылдаткыч аткарган жылуулук кыймылдаткычтарынын иши:

А=Q₁– Q₂, бул жерде Q₁ жылыткычтан алынган жылуулуктун көлөмү жана Q₂ муздаткычка жеткирилген жылуулуктун көлөмү. Жылуулук машинасынын эффективдүүлүгү – кыймылдаткыч аткарган А жумушунун жылыткычтан алынган жылуулук көлөмүнө катышы:

η=A/Q=(Q₁– Q₂)/Q₁ =1 - Q₂/Q₁.

«Оттун кыймылдаткыч күчү жана бул күчтү өнүктүрүүгө жөндөмдүү машиналар жөнүндө ойлор» (1824) аттуу эмгегинде Карно «идеалдуу газы бар идеалдуу жылуулук кыймылдаткычы» деп аталган жылуулук кыймылдаткычын сүрөттөгөн. жумушчу суюктук. Термодинамиканын мыйзамдарынын аркасында жылыткычы бар жылуулук кыймылдаткычынын эффективдүүлүгүн (максималдуу мүмкүн) эсептөөгө болот.температурасы T₁, жана T₂ температурасы бар муздаткыч. Carnot жылуулук кыймылдаткычынын натыйжалуулугу бар:

η_max=(T₁ – T₂)/T 1_{=1 – T}2_/T1.

Сади Карно T₁ температурасы бар жылыткыч жана T_{2 температурасы бар муздаткыч менен иштеген ар кандай жылуулук кыймылдаткычы реалдуу экенин далилдеди.} жылуулук кыймылдаткычынын натыйжалуулугунан ашкан эффективдүүлүккө ээ боло албайт (идеалдуу).

Ичтен күйүүчү кыймылдаткыч (ICE)

Төрт тактылуу ичтен күйүүчү кыймылдаткыч бир же бир нече цилиндрден, поршенден, кранкалуу механизмден, алуу жана чыгаруу клапандарынан, шамдардан турат.

Кызмат цикли төрт циклден турат:

1) соргуч - күйүүчү аралашма цилиндрге клапан аркылуу кирет;

2) кысуу - эки клапан тең жабык;

3) жумушчу инсульт - күйүүчү аралашманын жарылуучу күйүшү;

4) иштетилген газдардын атмосферага чыгышы.

Буу турбинасы

Буу турбинасында энергия кирүүчү жана чыгыштагы суу буусунун басымынын айырмасынан улам өзгөрөт.

Заманбап буу турбиналарынын кубаттуулугу 1300 МВтка жетет.

1200 МВт буу турбинанын кээ бир техникалык параметрлери

• Буунун басымы (жаңы) - 23,5 МПа.
• Буунун температурасы - 540 °C.
• Турбиналык буу керектөө - 3600 т/саат.
• Ротордун ылдамдыгы - 3000 об/мин.
• Конденсатордогу буу басымы 3,6 кПа.
• Турбинанын узундугу - 47,9 м.
• Турбинанын салмагы - 1900 т.

Жылуулук кыймылдаткычы аба компрессорунан, күйүү камерасынан жана газ турбинасынан турат. Иштөө принциби: аба адиабаттык түрдө компрессорго сорулат, ошондуктан анын температурасы 200 ° C же андан жогору көтөрүлөт. Андан кийин кысылган аба күйүү камерасына кирет, ошол эле учурда суюк отун - керосин, фотоген, мазут - жогорку басымда кирет. Күйүүчү май күйгөндө аба 1500-2000°С температурага чейин ысып, кеңейип, ылдамдыгы жогорулайт. Аба жогорку ылдамдыкта жылып, күйүү продуктулары турбинага жөнөтүлөт. Этаптан стадияга өткөндөн кийин күйүү продуктулары өзүнүн кинетикалык энергиясын турбинанын кабактарына берет. Турбина алган энергиянын бир бөлүгү компрессордун айлануусуна кетет; калганы электр генераторунун роторунун, самолеттун же деңиз кемесинин винтинин, машинанын дөңгөлөктөрүнүн айлануусуна жумшалат.

Газ турбинасын реактивдүү кыймылдаткыч катары унаанын дөңгөлөктөрүн жана учактын же кеменин винттерин айлантуудан тышкары колдонсо болот. Газ турбинасынан аба жана күйүү продуктулары жогорку ылдамдыкта чыгарылат, ошондуктан бул процессте пайда болгон реактивдүү сокку аба (самолет) жана суу (кеме) кемелерин жана темир жол транспортун иштетүү үчүн колдонулушу мүмкүн. Мисалы, Ан-24, Ан-124 («Руслан»), Ан-225 («Кыял») учактарында турбовинттүү кыймылдаткычтар бар. Ошентип, 700-850 км / с учуу ылдамдыгы менен "Кыял" дээрлик 15 000 км аралыкка 250 тонна жүк ташууга жөндөмдүү. Бул дүйнөдөгү эң чоң транспорттук учак.

Жылуулук кыймылдаткычтарынын экологиялык көйгөйлөрү

Климатка чоң таасирин тийгизетатмосферанын абалы, атап айтканда, көмүр кычкыл газынын жана суу буусунун болушу. Ошентип, көмүр кычкыл газынын курамынын өзгөрүшү парник эффектинин көбөйүшүнө же азаюусуна алып келет, анда көмүр кычкыл газы Жер космоско тараган жылуулукту жарым-жартылай өзүнө сиңирип, аны атмосферада кармап турат жана ошону менен жер бетинин температурасын жогорулатат жана атмосферанын төмөнкү катмарлары. Климаттын кесепеттерин жоюуда парник эффектисинин феномени чечүүчү роль ойнойт. Ал жок болгон учурда планетанын орточо температурасы +15 °С эмес, 30-40 °С төмөн болмок.

Азыр дүйнөдө 300 миллиондон ашык ар кандай типтеги унаалар бар, алар абанын булганышынын жарымынан көбүн түзөт.

1 жылда ТЭЦтен атмосферага 150 миллион тонна күкүрт кычкылы, 50 миллион тонна азот оксиди, 50 миллион тонна күл, 200 миллион тонна көмүртек кычкылы, 3 миллион тонна феон бөлүнүп чыгат. күйүүчү майдын күйүү натыйжасында.

Атмосферада озон бар, ал жер бетиндеги бардык тиричиликти ультрафиолет нурларынын зыяндуу таасиринен коргойт. 1982-жылы англиялык изилдөөчү Дж. Фарман Антарктиданын үстүндө озон тешигин ачкан – атмосферадагы озондун курамынын убактылуу азайышы. 1987-жылдын 7-октябрында озон тешиги максималдуу иштеп жаткан учурда андагы озондун көлөмү 2 эсеге азайган. Озон тешиги, кыязы, антропогендик факторлордун, анын ичинде озон катмарын бузуучу хлор камтыган фреондорду (фреондорду) өнөр жайда колдонуунун натыйжасында пайда болгон. Бирок, 1990-жылдардагы изилдөөлөр бул пикирди колдогон жок. Көбүнчө озон тешигиадамдын иш-аракети менен байланышпайт жана табигый процесс. 1992-жылы Арктиканын үстүндө да озон тешиги табылган.

Эгерде бардык атмосфералык озон Жер бетине жакын катмарга чогулуп, нормалдуу атмосфералык басымда жана 0 °C температурада абанын тыгыздыгына чейин коюуланса, анда озон калканчынын калыңдыгы 2-3 гана болот. мм! Бул бүтүндөй калкан.

Бир аз тарых…

• 1769-жыл. Аскердик инженер Н. Ж. Куньо Париждеги Меудон паркында эки цилиндрлүү буу кыймылдаткычы менен жабдылган "өрт араба" менен бир нече ондогон метр аралыкты басып өттү.
• 1885. Немис инженери Карл Бенц 1886-жылдын 29-январында кубаттуулугу 0,66 кВт болгон биринчи бензин төрт тактуу үч дөңгөлөктүү Motorwagen унаасын жасап, ага патент алган. Унаанын ылдамдыгы 15-18 км/саатка жеткен.
• 1891. Германиялык ойлоп табуучу Готтлиб Даймлер жеңил унаадан 2,9 кВт (4 аттын күчү) кыймылдаткычы бар жүк ташуучу унаа жасаган. Автоунаанын максималдуу ылдамдыгы 10 км/саатка жеткен, ар кандай моделдердеги жүк көтөрүмдүүлүгү 2 тоннадан 5 тоннага чейин жеткен.
• 1899. Бельгиялык К. Женатци "Джеймс Континт" ("Дайыма нааразы") унаасы менен 100 чакырымдык ылдамдыкты биринчи жолу ашты.

Маселени чечүү мисалдары

Маселе 1. Идеалдуу жылуулук кыймылдаткычында жылыткычтын температурасы 2000 К, муздаткычтын температурасы 100 °C болот. Натыйжалуулукту аныктоо.

Чечим:

Жылуулук кыймылдаткычынын эффективдүүлүгүн аныктоочу формула (максималдуу):

ŋ=T₁-T₂/T_1.

ŋ=(2000K - 373K) / 2000 K=0,81.

Жооп: Кыймылдаткычтын натыйжалуулугу 81%.

Тапшырма 2. Жылуулук машинасында күйүүчү май күйгөндө 200 кДж жылуулук алынган, ал эми муздаткычка 120 кДж жылуулук берилген. Мотордун эффективдүүлүгү кандай?

Чечим:

Эффективдүүлүктү аныктоо формуласы төмөнкүдөй:

ŋ=Q1 - Q2 / Q1.

ŋ=(2 10⁵ J - 1, 2 10^{5 J) / 2 10}5 ^{J=0, 4.}

Жооп: Жылуулук машинасынын эффективдүүлүгү 40%.

Маселе 3. Эгерде жумушчу суюктук жылыткычтан 1,6 МДж жылуулук алгандан кийин 400 аткарса, жылуулук машинасынын эффективдүүлүгү кандай болот? кДж жумуш? Муздаткычка канча жылуулук өткөрүлдү?

Чечим:

Натыйжалуулук

формуласы менен аныкталат

ŋ=A / Q_1.

ŋ=0,4 10⁶ J / 1,6 10⁶ J=0,25.

Муздаткычка берилген жылуулуктун көлөмүн

формуласы менен аныктоого болот

Q₁ - A=Q_2.

Q₂=1,6 10⁶ J - 0,4 10⁶ J=1,2 10^6J. Жооп: жылуулук машинасынын эффективдүүлүгү 25%; муздаткычка берилген жылуулуктун көлөмү 1,2 10

6 ^J.