เครื่องทำความร้อน: รอบการดำเนินงานอย่างมีประสิทธิภาพ ปัญหาทางนิเวศน์ของเครื่องทำความร้อน เครื่องระบายความร้อนเหมาะคืออะไร?

ความจำเป็นในการใช้ พลังงานกล ในการผลิตนำไปสู่การปรากฏตัวของเครื่องจักรความร้อน

อุปกรณ์เครื่องทำความร้อน

เครื่องทำความร้อน (Heat Machine) เป็นอุปกรณ์สำหรับแปลงพลังงานภายในให้เป็นพลังงานกล

เครื่องทำความร้อนใด ๆ ที่มีเครื่องทำความร้อนร่างกายทำงาน (ก๊าซหรือไอน้ำ) ซึ่งเป็นผลมาจากความร้อนทำงาน (ไดรฟ์เพลากังหันย้ายลูกสูบและอื่น ๆ ) และตู้เย็น แผนภาพด้านล่างแสดงโครงร่างของเครื่องยนต์ความร้อน

พื้นฐานของการกระทำของเครื่องยนต์ระบายความร้อน

เครื่องทำความร้อนแต่ละเครื่องทำงานโดยเครื่องยนต์ ในการทำงานนี้เขาต้องมีความแตกต่างด้านแรงดันทั้งสองด้านของลูกสูบเครื่องยนต์หรือใบพัดกังหัน ความแตกต่างนี้เกิดขึ้นได้ในเครื่องยนต์ที่ใช้ความร้อนทั้งหมดดังนี้อุณหภูมิของของเหลวที่ทำงานจะเพิ่มขึ้นเป็นร้อยหรือหลายพันองศาเมื่อเทียบกับอุณหภูมิห้อง ใน กังหันแก๊ส และในเครื่องยนต์สันดาปภายใน (ICE) อุณหภูมิจะเพิ่มขึ้นเนื่องจากเชื้อเพลิงเผาไหม้ภายในตัวเครื่องยนต์ ตู้เย็นสามารถเป็นบรรยากาศหรืออุปกรณ์พิเศษสำหรับการควบแน่นและการทำความเย็นไอน้ำที่ใช้แล้ว

วงจร Carnot

รอบ (กระบวนการวงกลม) - ชุดของการเปลี่ยนแปลงในสถานะของก๊าซเป็นผลจากการที่มันจะกลับสู่สภาพเดิม (มันสามารถทำงานได้) ในปี ค.ศ. 1824 นักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศส Sadi Carnot ได้แสดงให้เห็นว่าวงจรของเครื่องยนต์ความร้อน (Carnot cycle) ซึ่งประกอบด้วยกระบวนการสองแบบคือ isothermal และ adiabatic เป็นข้อได้เปรียบ รูปด้านล่างแสดงกราฟของวงจร Carnot: 1-2 และ 3-4 - isotherms, 2-3 และ 4-1 - adiabats

ตามกฎหมายว่าด้วยการอนุรักษ์พลังงานการทำงานของเครื่องทำความร้อนที่ดำเนินการโดยเครื่องยนต์คือ:

A = Q ₁ - Q ₂ ,

Q ₁ คือปริมาณความร้อนที่ได้รับจากเครื่องทำความร้อนและ Q ₂ คือปริมาณความร้อนที่ส่งไปยังตู้เย็น
ประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ความร้อนคืออัตราส่วนของงานที่ทำโดยเครื่องยนต์กับปริมาณความร้อนที่ได้รับจากเครื่องทำความร้อน:

Η = A / Q = (Q ₁ - Q ₂ ) / Q ₁ = 1 - Q ₂ / Q ₁

ในการทำงานของเขา "ความคิดเกี่ยวกับแรงผลักดันของการเกิดเพลิงไหม้และบนเครื่องจักรที่สามารถพัฒนาแรงนี้ได้" (1824) Carnot อธิบายเครื่องระบายความร้อนที่เรียกว่า "เครื่องระบายความร้อนที่เหมาะกับแก๊สที่เหมาะที่สุดซึ่งเป็นของไหลทำงานได้" เนื่องจากกฎของอุณหพลศาสตร์สามารถคำนวณประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ความร้อนได้โดยใช้เครื่องทำความร้อนที่มีอุณหภูมิ T1 และตู้เย็นที่มีอุณหภูมิ T2 เครื่องทำความร้อน Carnot มีประสิทธิภาพ:

Η _max = (T ₁ - T ₂ ) / T ₁ = 1 - T ₂ / T ₁

Sadi Carnot พิสูจน์ว่าเครื่องทำความร้อนใด ๆ เป็นของจริงซึ่งทำงานร่วมกับเครื่องทำความร้อนที่มีอุณหภูมิ T1 และตู้เย็นที่มีอุณหภูมิ T2 ไม่สามารถมีประสิทธิภาพที่จะเกินประสิทธิภาพของเครื่องความร้อน (เหมาะ)

เครื่องยนต์สันดาปภายใน (ICE)

ICE สี่จังหวะประกอบไปด้วยกระบอกสูบลูกสูบกลไกกลไกวาล์วไอดีและวาล์วไอเสียและเทียน

รอบหน้าที่ประกอบด้วยสี่รอบ:

1) การดูด - ส่วนผสมที่ติดไฟเข้าสู่กระบอกสูบผ่านวาล์ว
2) การบีบอัด - วาล์วทั้งสองถูกปิด;
3) จังหวะการทำงาน - การเผาไหม้ที่ระเบิดได้ของสารที่ติดไฟได้
4) ไอเสีย - ไอเสียของก๊าซไอเสียลงสู่ชั้นบรรยากาศ

กังหันไอน้ำ

ในกังหันไอน้ำการแปลงพลังงานเกิดขึ้นเนื่องจากความแตกต่างของความดันไอน้ำที่ขาเข้าและทางออก
ความสามารถของกังหันไอน้ำที่ทันสมัยสามารถเข้าถึงได้ถึง 1300 เมกะวัตต์

พารามิเตอร์ทางเทคนิคบางประการของกังหันไอน้ำขนาด 1200 เมกะวัตต์

• ความดันไอ (สด) อยู่ที่ 23.5 MPa
• อุณหภูมิของไอน้ำคือ 540 ° C
• อัตราการไหลของไอน้ำของกังหันคือ 3600 t / h
• ความเร็วของโรเตอร์คือ 3000 รอบต่อนาที
• ความดันไอในคอนเดนเซอร์อยู่ที่ 3.6 kPa
• ความยาวของกังหันคือ 47.9 เมตร
• มวลของกังหันคือ 1900 ตัน

เครื่องทำความร้อนประกอบด้วยเครื่องอัดอากาศห้องเผาไหม้และกังหันแก๊ส หลักการทำงาน: อากาศจะถูกดูดเข้าไปในคอมเพรสเซอร์อย่างรวดเร็วดังนั้นอุณหภูมิจะเพิ่มขึ้นถึง 200 องศาเซลเซียสหรือมากกว่า อากาศอัดจะ เข้าสู่ห้องเผาไหม้ซึ่งในเวลาเดียวกันภายใต้แรงดันสูงเชื้อเพลิงของเหลวจะเข้าสู่น้ำมันก๊าด photogen น้ำมันเชื้อเพลิง เมื่อเชื้อเพลิงเผาผลาญอากาศจะร้อนขึ้นที่อุณหภูมิ 1500-2000 องศาเซลเซียสขยายตัวและความเร็วของการเคลื่อนที่จะเพิ่มขึ้น อากาศเคลื่อนที่ด้วยความเร็วสูงและผลิตภัณฑ์การเผาไหม้จะถูกส่งไปยังกังหัน หลังจากเปลี่ยนจากขั้นตอนไปสู่ขั้นตอนแล้วผลิตภัณฑ์ที่เผาไหม้จะทำให้ใบพัดของกังหันมีพลังงานจลน์ ส่วนหนึ่งของพลังงานที่ได้รับจากกังหันไปที่การหมุนของคอมเพรสเซอร์ ส่วนที่เหลือจะใช้ในการหมุนโรเตอร์ของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าสกรูเครื่องบินหรือเรือเดินทะเลล้อรถ

สามารถใช้กังหันแก๊สนอกเหนือจากการหมุนของล้อรถและใบพัดหรือสกรูเรือเป็นเครื่องยนต์เจ็ท ผลิตภัณฑ์สำหรับอากาศและการเผาไหม้จะถูกปล่อยออกจากกังหันก๊าซความเร็วสูงดังนั้นการผลักดันปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นในขั้นตอนนี้สามารถใช้สำหรับการเดินทางทางอากาศ (เครื่องบิน) และเรือน้ำ (เรือ) การขนส่งทางรถไฟ ตัวอย่างเช่นเครื่องยนต์เทอร์โบมี An-24, An-124 (Ruslan), An-225 (ความฝัน) ดังนั้น "ดรีม" ที่ความเร็วในการบิน 700-850 กม. / ชม. จึงสามารถขนส่งสินค้าได้ 250 ตันระยะทางเกือบ 15,000 กิโลเมตร เป็นเครื่องบินขนส่งที่ใหญ่ที่สุดในโลก

ปัญหาสิ่งแวดล้อมของเครื่องทำความร้อน

อิทธิพลที่ดีต่อสภาพอากาศคือสภาวะของบรรยากาศโดยเฉพาะอย่างยิ่งการปรากฏตัวของก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์และไอน้ำ การเปลี่ยนแปลงของปริมาณคาร์บอนไดออกไซด์ทำให้เกิดการเพิ่มขึ้นหรือลดลงของภาวะเรือนกระจกซึ่งคาร์บอนไดออกไซด์บางส่วนจะดูดซับความร้อนที่ปล่อยออกสู่อวกาศทำให้เกิดความล่าช้าในชั้นบรรยากาศและทำให้อุณหภูมิของชั้นบรรยากาศและชั้นล่างลดลง ปรากฏการณ์ของภาวะเรือนกระจกมีบทบาทสำคัญในการบรรเทาภาวะโลกร้อน อุณหภูมิเฉลี่ยของโลกจะไม่ + 15 องศาเซลเซียส แต่ลดลง 30-40 องศาเซลเซียส

ปัจจุบันในโลกมีรถมากกว่า 300 ล้านชนิดซึ่งก่อให้เกิดมลพิษในบรรยากาศมากกว่าครึ่งหนึ่ง

เป็นเวลา 1 ปีซัลเฟอร์ออกไซด์ 150 ล้านตัน ไนโตรเจนออกไซด์ 50 ล้านตันเถ้า 50 ล้านตันก๊าซคาร์บอนมอนอกไซด์ 200 ล้านตันฟองอน 3 ล้านตันถูกปลดปล่อยสู่ชั้นบรรยากาศจากโรงไฟฟ้าพลังความร้อนอันเนื่องมาจากการเผาไหม้เชื้อเพลิง

องค์ประกอบของชั้นบรรยากาศประกอบด้วยโอโซนซึ่งช่วยปกป้องชีวิตในโลกจากอันตรายจากรังสีอัลตราไวโอเลต ในปี พ.ศ. 2525 J. Farman นักวิจัยชาวอังกฤษค้นพบหลุมโอโซนเหนือแอนตาร์กติกาซึ่งเป็นปริมาณโอโซนที่ลดลงชั่วคราว ในช่วงเวลาที่มีการพัฒนาสูงสุดของหลุมโอโซนในวันที่ 7 ตุลาคม 2530 ปริมาณโอโซนในนั้นลดลง 2 เท่า หลุมโอโซนอาจเป็นผลมาจากปัจจัยของมนุษย์รวมทั้งการใช้ chladones คลอรีน (freons) ในอุตสาหกรรมซึ่งทำลายชั้นโอโซน อย่างไรก็ตามการศึกษาในทศวรรษที่ 1990 ไม่ยืนยันมุมมองนี้ ส่วนใหญ่แล้วลักษณะของหลุมโอโซนไม่เกี่ยวข้องกับกิจกรรมของมนุษย์และเป็นกระบวนการทางธรรมชาติ ในปี พ.ศ. 2535 หลุมโอโซนถูกค้นพบเหนืออาร์กติก

ถ้าโอโซนในชั้นบรรยากาศทั้งหมดถูกเก็บอยู่ในชั้นใกล้ผิวโลกและหนาขึ้นกับความหนาแน่นของอากาศที่ความดันบรรยากาศปกติและ 0 องศาเซลเซียสความหนาของแผ่นโอโซนจะมีเพียง 2-3 มม.! นั่นคือโล่ทั้งหมด

บิตของประวัติศาสตร์ ...

• กรกฎาคม 1769 ในสวน Meudon ในกรุงปารีสวิศวกรทางทหารของ N.J. Cunyo "รถเก๋ง" ซึ่งติดตั้งเครื่องยนต์ไอน้ำทรงกระบอกสองสูบขับไปหลายสิบเมตร
• 1885 ปี Karl Benz วิศวกรชาวเยอรมันสร้างรถเบนซินสี่สูบแรกของ Motorwagen ที่มีกำลังการผลิต 0.66 กิโลวัตต์ซึ่งเขาได้รับสิทธิบัตรเมื่อวันที่ 29 มกราคม 2429 ความเร็วของรถถึง 15-18 กม. / ชม.
• 1891 ปี Gottlieb Daimler นักประดิษฐ์ชาวเยอรมันผลิตรถบรรทุกขนส่งด้วยเครื่องยนต์ขนาด 2.9 กิโลวัตต์ (4 แรงม้า) จากรถ ความเร็วสูงสุดของ รถถึง 10 กม. / ชม. ขีดความสามารถในการบรรทุกในรูปแบบต่างๆมีตั้งแต่ 2 ถึง 5 ตัน
• 1899 ปี เบลเยียม K. Zhenatzi ในรถของเขา "Jame Contant" ("ไม่พอใจเสมอ") เป็นครั้งแรกเอาชนะขีด จำกัด ความเร็ว 100 กิโลเมตร

ตัวอย่างของการแก้ปัญหา

ปัญหา 1. อุณหภูมิของเครื่องทำความร้อนคือเครื่องทำความร้อนที่เหมาะที่สุดเท่ากับ 2000 K และอุณหภูมิของตู้เย็นอยู่ที่ 100 ° C ตรวจสอบประสิทธิภาพ

โซลูชัน :
สูตรที่กำหนดประสิทธิภาพของเครื่องความร้อน (สูงสุด):

Ŋ = T ₁ -T ₂ / T ₁
Ŋ = (2000К-373К) / 2000 К = 0.81

ตอบ: ประสิทธิภาพของเครื่องยนต์อยู่ที่ 81%

ภารกิจ 2. ในเครื่องยนต์ความร้อนเมื่อเชื้อเพลิงถูกเผาไหม้ได้รับความร้อน 200 กิโลจูลและความร้อน 120 กิโลจูลถูกถ่ายโอนไปยังตู้เย็น อะไรคือประสิทธิภาพของเครื่องยนต์?

วิธีการแก้ปัญหา:
สูตรการคำนวณประสิทธิภาพมีดังนี้

Ŋ = Q1 - Q2 / Q1
Ŋ = (2 · 10 ⁵ J - 1.2 · 10 ⁵ J) / 2 · 10 ⁵ J = 0.4

คำตอบ: ประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ความร้อนคือ 40%

งาน 3. อะไรคือประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ความร้อนถ้าร่างกายทำงานหลังจากที่ปริมาณความร้อนของเครื่องทำความร้อนได้รับ 1.6 MJ ดำเนิน 400 kJ? ความร้อนเท่าไหร่ถูกถ่ายโอนไปยังตู้เย็น?

วิธีการแก้ปัญหา:
ประสิทธิภาพสามารถกำหนดโดยสูตร

Ŋ = A / Q ₁

Ŋ = 0.4 · 10 ⁶ J / 1.6 · 10 ⁶ J = 0.25

ปริมาณความร้อนที่ถ่ายโอนไปยังตู้เย็นสามารถกำหนดได้จากสูตร

Q ₁ - A = Q _2.
Q ₂ = 1.6 · 10 ⁶ J-0.4 · 10 ⁶ J = 1.2 · 10 ⁶ J.
คำตอบ: เครื่องทำความร้อนมีประสิทธิภาพ 25%; ปริมาณความร้อนที่ถ่ายโอนไปยังตู้เย็นคือ 1.2 × 10 ⁶ จูล