Mit tüüpi masinate tööd iseloomustab selline oluline näitaja nagu soojusmasina efektiivsus. Igal aastal püüavad insenerid luua täiustatud seadmeid, mis madalama kütusekuluga annaksid selle kasutamisest maksimaalse tulemuse.
Soojendusmootori seade
Enne kui mõistate, mis on tõhusus, on vaja mõista, kuidas see mehhanism töötab. Ilma selle toimimise põhimõtteid teadmata on selle näitaja olemust võimatu välja selgitada. Soojusmasin on seade, mis kasutab sisemist energiat. Iga soojusmasin, mis muudab soojusenergia mehaaniliseks energiaks, kasutab ainete soojuspaisumist temperatuuri tõusuga. Tahkismootorites on võimalik muuta mitte ainult aine mahtu, vaid ka kere kuju. Sellise mootori töös kehtivad termodünaamika seadused.
Tööpõhimõte
Soojusmasina tööpõhimõtete mõistmiseks on vaja läbi mõelda põhitõedtema kujundused. Seadme tööks on vaja kahte korpust: kuum (küttekeha) ja külm (külmik, jahuti). Soojusmasinate tööpõhimõte (soojusmasinate kasutegur) oleneb nende tüübist. Sageli toimib aurukondensaator külmikuna ja mis tahes tüüpi kütus, mis ahjus põleb, toimib küttekehana. Ideaalse soojusmasina kasutegur leitakse järgmise valemiga:
Tõhusus=(teatamine – jahutamine)/ Theating. x 100%.
Samas ei saa päris mootori kasutegur kunagi ületada selle valemi järgi saadud väärtust. Samuti ei ületa see indikaator kunagi ül altoodud väärtust. Tõhususe suurendamiseks tõstke kõige sagedamini küttekeha temperatuuri ja vähendage külmiku temperatuuri. Mõlemad protsessid on piiratud seadme tegelike töötingimustega.
Soojusmootori kasutegur (valem)
Soojusmasina töötamise ajal tehakse tööd, kuna gaas hakkab energiat kaotama ja jahtub teatud temperatuurini. Viimane on tavaliselt paar kraadi ümbritsevast atmosfäärist kõrgemal. See on külmiku temperatuur. Selline spetsiaalne seade on ette nähtud jahutamiseks koos järgneva heitgaasi auru kondenseerumisega. Kondensaatorite olemasolul on külmiku temperatuur mõnikord madalam kui ümbritseva õhu temperatuur.
Soojusmasinas ei ole keha kuumutamisel ja paisumisel võimeline andma kogu oma sisemist energiat töö tegemiseks. Osa soojusest kandub koos heitgaaside või auruga külmkappi. See osasoojuslik siseenergia kaob paratamatult. Kütuse põlemisel saab töökeha küttekehast teatud koguse soojust Q1. Samal ajal teeb see endiselt tööd A, mille käigus kannab osa soojusenergiast üle külmikusse: Q2<Q1.
EFFICIENCY iseloomustab mootori efektiivsust energia muundamise ja ülekande vallas. Seda näitajat mõõdetakse sageli protsentides. Tõhususe valem:
ηA/Qx100%, kus Q on kulutatud energia, A on kasulik töö.
Tuginedes energia jäävuse seadusele, võime järeldada, et kasutegur on alati väiksem kui üks. Teisisõnu, pole kunagi rohkem kasulikku tööd kui sellele kulutatud energia.
Mootori kasutegur on kasuliku töö ja kütteseadme tarnitava energia suhe. Seda saab esitada järgmise valemiga:
η=(Q1-Q2)/ Q1, kus Q 1 - kütteseadmest saadud soojus ja Q2 - antakse külmikusse.
Soojusmootori töö
Soojusmasina tehtud töö arvutatakse järgmise valemi abil:
A=|QH| - |QX|, kus A on töö, QH on kütteseadmest saadud soojushulk, QX – jahutile antav soojushulk.
Soojusmootori efektiivsus (valem):
|QH| - |QX|)/|QH|=1 - |QX|/|QH|
See võrdub mootori tehtud töö ja töömahu suhtegasoojust. Osa soojusenergiast läheb selle ülekande käigus kaotsi.
Carnot' mootor
Soojusmasina maksimaalne efektiivsus on märgitud Carnot' seadmel. See on tingitud asjaolust, et selles süsteemis sõltub see ainult küttekeha (Тн) ja jahuti (Тх) absoluutsest temperatuurist. Carnot' tsükli järgi töötava soojusmasina efektiivsus määratakse järgmise valemiga:
(Тн - Тх)/ Тн=- Тх - Тн.
Terodünaamika seadused võimaldasid meil välja arvutada maksimaalse võimaliku kasuteguri. Esimest korda arvutas selle näitaja prantsuse teadlane ja insener Sadi Carnot. Ta leiutas soojusmasina, mis töötas ideaalsel gaasil. See töötab 2 isotermi ja 2 adiabaadi tsüklil. Selle tööpõhimõte on üsna lihtne: anumasse viiakse gaasiga küttekeha kontakt, mille tulemusena töövedelik paisub isotermiliselt. Samal ajal see toimib ja saab teatud koguse soojust. Pärast anuma soojusisolatsiooni. Vaatamata sellele jätkab gaas paisumist, kuid juba adiabaatiliselt (ilma soojusvahetuseta keskkonnaga). Sel ajal langeb selle temperatuur külmikusse. Sel hetkel on gaas kontaktis külmikuga, mille tulemusena annab sellele isomeetrilise kokkusurumise käigus teatud koguse soojust. Seejärel isoleeritakse anum uuesti. Sel juhul surutakse gaas adiabaatiliselt kokku algse mahu ja olekuni.
Sordid
Meie ajal on palju erinevaid soojusmootoreid, mis töötavad erinevatel põhimõtetel ja erinevatel kütustel. Neil kõigil on oma tõhusus. Need sisaldavadjärgmine:
• Sisepõlemismootor (kolb), mis on mehhanism, kus osa põleva kütuse keemilisest energiast muundatakse mehaaniliseks energiaks. Sellised seadmed võivad olla gaasilised ja vedelad. Seal on 2- ja 4-taktilised mootorid. Neil võib olla pidev töötsükkel. Kütusesegu valmistamise meetodi kohaselt on sellised mootorid karburaator (välise segu moodustamisega) ja diisel (sisemisega). Energiamuunduri tüüpide järgi jagunevad need kolb-, reaktiiv-, turbiini-, kombineeritud. Selliste masinate kasutegur ei ületa 0,5.
• Stirlingi mootor – seade, milles töövedelik on suletud ruumis. See on omamoodi välispõlemismootor. Selle tööpõhimõte põhineb keha perioodilisel jahutamisel/soojenemisel koos energia tootmisega selle mahu muutumise tõttu. See on üks tõhusamaid mootoreid.
• Turbiin (rootor)mootor kütuse välispõlemisega. Selliseid seadmeid leidub kõige sagedamini soojuselektrijaamades.
• Turbiini (pöörd) ICE kasutatakse soojuselektrijaamades tipprežiimil. Pole nii levinud kui teised.
• Turbopropellermootor tekitab osa tõukejõust tänu propellerile. Ülejäänu tuleb heitgaasidest. Selle konstruktsioon on pöörlev mootor (gaasiturbiin), mille võllile on paigaldatud propeller.
Muud tüüpi soojusmasinad
• Rakett-, turboreaktiiv- ja reaktiivmootorid, mis saavad tagasilöögist tõukejõuheitgaasid.
• Tahkismootorid kasutavad kütusena tahkeid aineid. Töötades ei muutu mitte selle maht, vaid kuju. Seadmete töös kasutatakse äärmiselt madalat temperatuurierinevust.
Kuidas tõhusust parandada
Kas soojusmasina efektiivsust on võimalik tõsta? Vastust tuleb otsida termodünaamikast. See uurib erinevate energialiikide vastastikust muundumist. On kindlaks tehtud, et kogu olemasolevat soojusenergiat on võimatu muundada elektriliseks, mehaaniliseks jne. Samal ajal toimub nende muundamine soojusenergiaks ilma piiranguteta. See on võimalik tänu asjaolule, et soojusenergia olemus põhineb osakeste ebakorrapärasel (kaootilisel) liikumisel.
Mida rohkem keha kuumeneb, seda kiiremini hakkavad liikuma selle moodustavad molekulid. Osakeste liikumine muutub veelgi ebaühtlasemaks. Lisaks teavad kõik, et korra saab kergesti muuta kaoseks, mida on väga raske tellida.
