کار انجام شده توسط موتور:

این فرآیند برای اولین بار توسط مهندس و دانشمند فرانسوی N. L. S. Carnot در سال 1824 در کتاب "تأملاتی در مورد نیروی محرکه آتش و ماشین هایی که قادر به توسعه این نیرو هستند" مورد توجه قرار گرفت.

هدف از تحقیق کارنو کشف دلایل ناقص بودن موتورهای حرارتی آن زمان (با راندمان ≤ 5%) و یافتن راه هایی برای بهبود آنها بود.

چرخه کارنو از همه کارآمدتر است. کارایی آن حداکثر است.

شکل، فرآیندهای ترمودینامیکی چرخه را نشان می دهد. در طول انبساط همدما (1-2) در دما تی 1 کار به دلیل تغییر انرژی داخلی بخاری یعنی به دلیل تامین گرما به گاز انجام می شود. س:

آ 12 = س 1 ,

خنک شدن گاز قبل از فشرده سازی (3-4) در طول انبساط آدیاباتیک (2-3) رخ می دهد. تغییر در انرژی درونی ΔU 23 در طی یک فرآیند آدیاباتیک ( Q = 0) کاملاً به کار مکانیکی تبدیل می شود:

آ 23 = -ΔU 23 ,

دمای گاز در نتیجه انبساط آدیاباتیک (2-3) به دمای یخچال کاهش می یابد. تی 2 < تی 1 . در فرآیند (3-4)، گاز به صورت همدما فشرده می شود و مقدار گرما را به یخچال منتقل می کند. س 2:

A 34 = Q 2,

چرخه با فرآیند فشرده سازی آدیاباتیک (4-1) به پایان می رسد، که در آن گاز تا یک دما گرم می شود. T 1.

حداکثر مقدار بازده موتورهای حرارتی گازی ایده آل با توجه به چرخه کارنو:

.

ماهیت فرمول در اثبات شده بیان شده است با. قضیه کارنو مبنی بر اینکه راندمان هر موتور حرارتی نمی تواند از بازده چرخه کارنو که در همان دمای بخاری و یخچال انجام می شود بیشتر باشد.

اسلاید 1

اسلاید 2

اسلاید 3

اسلاید 4

اسلاید 5

اسلاید 6

اسلاید 7

اسلاید 8

اسلاید 9

عملکرد بسیاری از انواع ماشین ها با شاخص مهمی مانند کارایی موتور حرارتی مشخص می شود. مهندسان هر ساله تلاش می کنند تا تجهیزات پیشرفته تری ایجاد کنند که با مصرف سوخت کمتر، حداکثر نتیجه را از استفاده از آن به همراه داشته باشد.

دستگاه موتور حرارتی

قبل از اینکه بفهمیم کارایی چیست، لازم است بدانیم این مکانیسم چگونه کار می کند. بدون دانستن اصول عمل آن، پی بردن به ماهیت این شاخص غیرممکن است. موتور حرارتی دستگاهی است که کار را با استفاده از انرژی داخلی انجام می دهد. هر موتور حرارتی که انرژی حرارتی را به انرژی مکانیکی تبدیل می کند از انبساط حرارتی مواد با افزایش دما استفاده می کند. در موتورهای حالت جامد، نه تنها می توان حجم یک ماده، بلکه شکل بدنه را نیز تغییر داد. عملکرد چنین موتوری تابع قوانین ترمودینامیک است.

اصول کارکرد، اصول جراحی، اصول عملکرد

برای درک نحوه عملکرد یک موتور حرارتی، باید اصول طراحی آن را در نظر گرفت. برای کارکرد دستگاه به دو بدنه گرم (بخاری) و سرد (یخچال، کولر) نیاز است. اصل عملکرد موتورهای حرارتی (بازده موتور حرارتی) به نوع آنها بستگی دارد. اغلب یخچال یک کندانسور بخار است و بخاری هر نوع سوختی است که در جعبه آتش می سوزد. کارایی یک موتور حرارتی ایده آل با فرمول زیر بدست می آید:

کارایی = (Theat - Cool) / Theat. × 100 درصد

در این حالت، بازده یک موتور واقعی هرگز نمی تواند از مقدار بدست آمده طبق این فرمول بیشتر شود. همچنین این رقم هرگز از مقدار فوق فراتر نخواهد رفت. برای افزایش راندمان، اغلب دمای بخاری افزایش و دمای یخچال کاهش می یابد. هر دوی این فرآیندها با شرایط عملیاتی واقعی تجهیزات محدود خواهند شد.

هنگامی که یک موتور حرارتی کار می کند، کار انجام می شود، زیرا گاز شروع به از دست دادن انرژی می کند و تا دمای خاصی خنک می شود. دومی معمولاً چندین درجه بالاتر از جو اطراف است. این دمای یخچال است. این دستگاه ویژه برای خنک کردن و متراکم شدن بعدی بخار خروجی طراحی شده است. در جاهایی که کندانسور وجود دارد، دمای یخچال گاهی کمتر از دمای محیط است.

در یک موتور حرارتی، وقتی بدن گرم می شود و منبسط می شود، نمی تواند تمام انرژی داخلی خود را برای انجام کار صرف کند. مقداری از گرما به همراه گازهای خروجی یا بخار به یخچال منتقل می شود. این بخش از انرژی درونی حرارتی به طور اجتناب ناپذیری از بین می رود. در طی احتراق سوخت، سیال کار مقدار مشخصی از گرمای Q 1 را از بخاری دریافت می کند. در همان زمان، همچنان کار A را انجام می دهد، که طی آن بخشی از انرژی حرارتی را به یخچال منتقل می کند: Q 2

راندمان کارایی موتور را در زمینه تبدیل و انتقال انرژی مشخص می کند. این شاخص اغلب به صورت درصد اندازه گیری می شود. فرمول کارایی:

η*A/Qx100% که در آن Q انرژی مصرف شده است، A کار مفید است.

بر اساس قانون پایستگی انرژی می توان نتیجه گرفت که راندمان همیشه کمتر از واحد خواهد بود. به عبارت دیگر، هرگز کار مفیدتر از انرژی صرف شده برای آن وجود نخواهد داشت.

راندمان موتور نسبت کار مفید به انرژی تامین شده توسط بخاری است. می توان آن را در قالب فرمول زیر نشان داد:

η = (Q 1 -Q 2) / Q 1 که در آن Q 1 گرمای دریافتی از بخاری است و Q 2 به یخچال داده می شود.

کارکرد موتور حرارتی

کار انجام شده توسط یک موتور حرارتی با استفاده از فرمول زیر محاسبه می شود:

A = |Q H | - |Q X |، که در آن A کار است، Q H مقدار گرمای دریافتی از بخاری، Q X مقدار گرمای داده شده به کولر است.

|Q H | - |Q X |)/|Q H | = 1 - |Q X |/|Q H |

برابر است با نسبت کار انجام شده توسط موتور به مقدار گرمای دریافتی. بخشی از انرژی حرارتی در این انتقال از بین می رود.

موتور کارنو

حداکثر راندمان یک موتور حرارتی در دستگاه کارنو مشاهده می شود. این به این دلیل است که در این سیستم فقط به دمای مطلق بخاری (Tn) و کولر (Tx) بستگی دارد. راندمان یک موتور حرارتی که بر اساس چرخه کارنو کار می کند با فرمول زیر تعیین می شود:

(Tn - Tx)/ Tn = - Tx - Tn.

قوانین ترمودینامیک محاسبه حداکثر بازده ممکن را ممکن می سازد. این شاخص اولین بار توسط دانشمند و مهندس فرانسوی سادی کارنو محاسبه شد. او یک موتور حرارتی اختراع کرد که با گاز ایده آل کار می کرد. در یک چرخه 2 ایزوترم و 2 آدیابات کار می کند. اصل عملکرد آن بسیار ساده است: یک بخاری به یک ظرف با گاز متصل می شود که در نتیجه سیال کار به صورت همدما منبسط می شود. در عین حال کار می کند و مقدار مشخصی گرما را دریافت می کند. سپس ظرف عایق حرارتی می شود. با وجود این، گاز همچنان به گسترش خود ادامه می دهد، اما به صورت آدیاباتیک (بدون تبادل حرارت با محیط). در این زمان دمای آن تا دمای یخچال کاهش می یابد. در این لحظه گاز با یخچال تماس پیدا می کند و در نتیجه در حین فشردگی ایزومتریک مقدار معینی گرما از خود خارج می کند. سپس ظرف دوباره عایق حرارتی می شود. در این حالت گاز به صورت آدیاباتیک به حجم و حالت اولیه خود فشرده می شود.

انواع

امروزه انواع زیادی از موتورهای حرارتی وجود دارند که بر اساس اصول مختلف و با سوخت های مختلف کار می کنند. همه آنها کارایی خاص خود را دارند. این موارد شامل موارد زیر است:

موتور احتراق داخلی (پیستون) که مکانیزمی است که در آن بخشی از انرژی شیمیایی سوخت سوختن به انرژی مکانیکی تبدیل می شود. چنین وسایلی می توانند گاز و مایع باشند. موتورهای 2 زمانه و 4 زمانه وجود دارد. آنها می توانند یک چرخه کار مداوم داشته باشند. با توجه به روش تهیه مخلوط سوخت، چنین موتورهایی کاربراتوری (با تشکیل مخلوط خارجی) و دیزلی (با داخلی) هستند. بر اساس نوع مبدل انرژی به پیستونی، جت، توربین و ترکیبی تقسیم می شوند. راندمان چنین ماشین هایی از 0.5 تجاوز نمی کند.

موتور استرلینگ وسیله ای است که در آن سیال کار در فضایی محدود قرار می گیرد. این یک نوع موتور احتراق خارجی است. اصل عملکرد آن بر اساس سرد کردن/گرمایش دوره ای بدن با تولید انرژی به دلیل تغییر حجم آن است. این یکی از کارآمدترین موتورها است.

موتور توربین (دوار) با احتراق خارجی سوخت. چنین تاسیساتی اغلب در نیروگاه های حرارتی یافت می شود.

موتورهای احتراق داخلی توربین (دوار) در نیروگاه های حرارتی در حالت پیک استفاده می شوند. به اندازه دیگران گسترده نیست.

یک موتور توربین بخشی از نیروی رانش خود را از طریق پروانه خود ایجاد می کند. بقیه را از گازهای خروجی اگزوز می گیرد. طراحی آن یک موتور دوار (توربین گاز) است که روی شفت آن یک پروانه نصب شده است.

انواع دیگر موتورهای حرارتی

موتورهای موشک، توربوجت و جت که نیروی رانش را از گازهای خروجی به دست می آورند.

موتورهای حالت جامد از ماده جامد به عنوان سوخت استفاده می کنند. در حین کار، حجم آن نیست که تغییر می کند، بلکه شکل آن است. هنگام کار با تجهیزات، از اختلاف دمای بسیار کم استفاده می شود.

چگونه می توانید کارایی را افزایش دهید

آیا افزایش راندمان موتور حرارتی امکان پذیر است؟ پاسخ را باید در ترمودینامیک جستجو کرد. او تحولات متقابل انواع مختلف انرژی را مطالعه می کند. ثابت شده است که تبدیل تمام انرژی حرارتی موجود به الکتریکی، مکانیکی و غیره غیرممکن است، اما تبدیل آنها به انرژی حرارتی بدون هیچ محدودیتی صورت می گیرد. این امر به دلیل این واقعیت امکان پذیر است که ماهیت انرژی حرارتی بر اساس حرکت نامنظم (آشوب) ذرات است.

هرچه بدن بیشتر گرم شود، مولکول های تشکیل دهنده آن سریعتر حرکت می کنند. حرکت ذرات حتی نامنظم تر خواهد شد. در کنار این، همه می دانند که نظم به راحتی می تواند به هرج و مرج تبدیل شود که سفارش دادن آن بسیار دشوار است.

اهمیت اصلی فرمول (5.12.2) به دست آمده توسط کارنو برای راندمان یک ماشین ایده آل این است که حداکثر بازده ممکن هر موتور حرارتی را تعیین می کند.

کارنو بر اساس قانون دوم ترمودینامیک* قضیه زیر را اثبات کرد: هر موتور حرارتی واقعی که با بخاری دما کار می کندتی 1 و دمای یخچالتی 2 ، نمی تواند بازدهی فراتر از راندمان یک موتور حرارتی ایده آل داشته باشد.

* کارنو در واقع قانون دوم ترمودینامیک را قبل از کلازیوس و کلوین ایجاد کرد، زمانی که قانون اول ترمودینامیک هنوز به طور دقیق تدوین نشده بود.

اجازه دهید ابتدا یک موتور حرارتی را در نظر بگیریم که در یک چرخه برگشت پذیر با گاز واقعی کار می کند. چرخه می تواند هر چیزی باشد، فقط مهم است که دمای بخاری و یخچال باشد تی 1 و تی 2 .

فرض کنید راندمان یک موتور حرارتی دیگر (که طبق چرخه کارنو کار نمی کند) η ’ > η . ماشین ها با یک بخاری مشترک و یک یخچال مشترک کار می کنند. اجازه دهید ماشین کارنو در یک چرخه معکوس (مانند یک ماشین تبرید) کار کند، و اجازه دهید ماشین دیگر در یک چرخه رو به جلو کار کند (شکل 5.18). موتور حرارتی طبق فرمول های (5.12.3) و (5.12.5) کار برابر با:

دستگاه تبرید همیشه می تواند به گونه ای طراحی شود که مقدار گرمای یخچال را بگیرد س 2 = ||

سپس طبق فرمول (5.12.7) روی آن کار می شود

(5.12.12)

از آنجایی که طبق شرط η" > η , که A" > A.بنابراین، یک موتور حرارتی می تواند یک ماشین تبرید را به حرکت درآورد و هنوز کار اضافی باقی خواهد ماند. این کار اضافی توسط گرمای گرفته شده از یک منبع انجام می شود. از این گذشته، هنگامی که دو دستگاه به طور همزمان کار می کنند، گرما به یخچال منتقل نمی شود. اما این با قانون دوم ترمودینامیک در تضاد است.

اگر فرض کنیم η > η ", سپس می توانید ماشین دیگری را در چرخه معکوس و ماشین کارنو را در چرخه رو به جلو بسازید. باز هم با قانون دوم ترمودینامیک به تناقض خواهیم رسید. در نتیجه، دو ماشین که در چرخه‌های برگشت‌پذیر کار می‌کنند، کارایی یکسانی دارند: η " = η .

اگر ماشین دوم در یک چرخه غیرقابل برگشت کار کند، موضوع متفاوتی است. اگر فرض کنیم η " > η , سپس دوباره با قانون دوم ترمودینامیک به تناقض خواهیم رسید. با این حال، فرض t|"< г| не противоречит второму закону термодинамики, так как необратимая тепловая машина не может работать как холодильная машина. Следовательно, КПД любой тепловой машины η" ≤ η، یا

این نتیجه اصلی است:

(5.12.13)

کارایی موتورهای حرارتی واقعی

فرمول (5.12.13) حد نظری را برای حداکثر مقدار بازده موتورهای حرارتی ارائه می دهد. این نشان می دهد که هر چه دمای بخاری بالاتر و دمای یخچال کمتر باشد، یک موتور حرارتی کارآمدتر است. فقط در دمای یخچال برابر با صفر مطلق η = 1 است.

اما دمای یخچال عملا نمی تواند خیلی کمتر از دمای محیط باشد. می توانید دمای بخاری را افزایش دهید. با این حال، هر ماده (جسم جامد) مقاومت حرارتی یا مقاومت حرارتی محدودی دارد. هنگامی که گرم می شود، به تدریج خاصیت ارتجاعی خود را از دست می دهد و در دمای به اندازه کافی بالا ذوب می شود.

در حال حاضر تلاش اصلی مهندسان در جهت افزایش راندمان موتورها از طریق کاهش اصطکاک قطعات آنها، تلفات سوخت ناشی از احتراق ناقص و غیره است. فرصت های واقعی برای افزایش راندمان در اینجا هنوز عالی است. بنابراین، برای یک توربین بخار، دمای اولیه و نهایی بخار تقریباً به شرح زیر است: تی 1 = 800 K و تی 2 = 300 K. در این دماها، حداکثر مقدار بازده برابر است:

مقدار بازده واقعی ناشی از انواع تلفات انرژی تقریباً 40٪ است. حداکثر بازده - حدود 44٪ - توسط موتورهای احتراق داخلی به دست می آید.

راندمان هر موتور حرارتی نمی تواند از حداکثر مقدار ممکن تجاوز کند
, جایی که تی 1 - دمای مطلق بخاری و T 2 - دمای مطلق یخچال

افزایش راندمان موتورهای حرارتی و نزدیک کردن آن به حداکثر ممکن- مهمترین چالش فنی

ضریب کارایی (کارایی)مشخصه عملکرد سیستم در رابطه با تبدیل یا انتقال انرژی است که با نسبت انرژی مفید مصرفی به کل انرژی دریافتی سیستم تعیین می شود.

بهره وری- یک کمیت بدون بعد که معمولاً به صورت درصد بیان می شود:

ضریب عملکرد (بازده) یک موتور حرارتی با فرمول تعیین می شود: که در آن A = Q1Q2 است. راندمان یک موتور حرارتی همیشه کمتر از 1 است.

چرخه کارنویک فرآیند گاز دایره‌ای برگشت‌پذیر است که شامل دو فرآیند همدما و دو فرآیند آدیاباتیک به‌طور متوالی است که با سیال کار انجام می‌شود.

یک چرخه دایره ای، که شامل دو ایزوترم و دو آدیابات است، با حداکثر بازده مطابقت دارد.

مهندس فرانسوی سادی کارنو در سال 1824 فرمول حداکثر راندمان یک موتور حرارتی ایده آل را به دست آورد که در آن سیال کار یک گاز ایده آل است که چرخه آن از دو ایزوترم و دو آدیابات یعنی چرخه کارنو تشکیل شده است. چرخه کارنو چرخه واقعی کار یک موتور حرارتی است که به دلیل گرمای وارد شده به سیال عامل در یک فرآیند همدما کار را انجام می دهد.

فرمول راندمان چرخه کارنو، یعنی حداکثر بازده یک موتور حرارتی، به شکل زیر است: ، که در آن T1 دمای مطلق بخاری است، T2 دمای مطلق یخچال است.

موتورهای حرارتی- اینها ساختارهایی هستند که در آنها انرژی حرارتی به انرژی مکانیکی تبدیل می شود.

موتورهای حرارتی هم از نظر طراحی و هم از نظر هدف متنوع هستند. اینها عبارتند از موتورهای بخار، توربین های بخار، موتورهای احتراق داخلی و موتورهای جت.

با این حال، با وجود تنوع، اصولاً عملکرد موتورهای حرارتی مختلف دارای ویژگی های مشترک است. اجزای اصلی هر موتور حرارتی عبارتند از:

• بخاری؛
• سیال کار؛
• یخچال

بخاری انرژی حرارتی را آزاد می کند، در حالی که مایع کاری را که در محفظه کار موتور قرار دارد، گرم می کند. سیال کار می تواند بخار یا گاز باشد.

با پذیرش مقدار گرما، گاز منبسط می شود، زیرا فشار آن بیشتر از فشار خارجی است و پیستون را حرکت می دهد و کار مثبت تولید می کند. همزمان فشار آن کاهش می یابد و حجم آن افزایش می یابد.

اگر گاز را فشرده کنیم، با عبور از همان حالات، اما در جهت مخالف، همان مقدار مطلق، اما کار منفی را انجام خواهیم داد. در نتیجه، تمام کار در هر چرخه صفر خواهد بود.

برای اینکه کار یک موتور حرارتی با صفر متفاوت باشد، کار تراکم گاز باید کمتر از کار انبساط باشد.

برای اینکه کار تراکم کمتر از کار انبساط شود، لازم است که فرآیند تراکم در دمای کمتری انجام شود، برای این کار سیال کار باید خنک شود، به همین دلیل یخچال در طرح گنجانده شده است. از موتور حرارتی سیال عامل در تماس با یخچال گرما را به یخچال منتقل می کند.