Zamonaviy voqeliklar issiqlik dvigatellaridan keng foydalanishni nazarda tutadi. Ularni elektr motorlar bilan almashtirish bo'yicha ko'plab urinishlar hozirgacha muvaffaqiyatsizlikka uchradi. Avtonom tizimlarda elektr energiyasini to'plash bilan bog'liq muammolar katta qiyinchilik bilan hal qilinadi.
Elektr quvvat akkumulyatorlarini ishlab chiqarish texnologiyasi muammolari, ulardan uzoq muddatli foydalanishni hisobga olgan holda, hali ham dolzarbdir. Elektr transport vositalarining tezlik xarakteristikalari ichki yonuv dvigatelli avtomobillarnikidan ancha uzoqdir.
Gibrid dvigatellarni yaratish yoʻlidagi ilk qadamlar megapolislardagi zararli chiqindilarni sezilarli darajada kamaytirishi va ekologik muammolarni hal qilishi mumkin.
Biroz tarix
Bug' energiyasini harakat energiyasiga aylantirish imkoniyati antik davrda ma'lum bo'lgan. Miloddan avvalgi 130 yil: Iskandariya faylasufi Heron tomoshabinlarga bug'li o'yinchoq - aeolipilni taqdim etdi. Bug 'bilan to'ldirilgan shar undan chiqayotgan reaktivlar ta'sirida aylana boshladi. Zamonaviy bug 'turbinalarining bu prototipi o'sha kunlarda ishlatilmagan.
Ko'p yillar va asrlar davomida faylasufning rivojlanishi shunchaki qiziqarli o'yinchoq hisoblangan. 1629 yilda italyan D. Branchi faol turbinani yaratdi. bug 'boshladipichoqlar bilan jihozlangan diskni harakatga keltiring.
Shu paytdan boshlab bug 'dvigatellarining jadal rivojlanishi boshlandi.
Issiqlik dvigateli
Yoqilg'ining ichki energiyasini mashina va mexanizmlar qismlarining harakat energiyasiga aylantirish issiqlik dvigatellarida qo'llaniladi.
Mashinalarning asosiy qismlari: isitgich (tashqaridan energiya olish tizimi), ishchi suyuqlik (foydali harakatni bajaradi), muzlatgich.
Isitgich ishchi suyuqlik foydali ishni bajarish uchun etarli miqdorda ichki energiya to'planganligini ta'minlash uchun mo'ljallangan. Sovutgich ortiqcha energiyani chiqaradi.
Samaralilikning asosiy xarakteristikasi issiqlik dvigatellarining samaradorligi deb ataladi. Bu qiymat isitish uchun sarflangan energiyaning qaysi qismi foydali ishlarni bajarishga sarflanganligini ko'rsatadi. Samaradorlik qanchalik yuqori bo'lsa, mashinaning ishlashi shunchalik foydali bo'ladi, lekin bu qiymat 100% dan oshmasligi kerak.
Samarali koeffitsientni hisoblash
Isitgich tashqaridan Q1 ga teng energiya olishiga imkon bering. Ishchi organ A ni bajardi, muzlatgichga berilgan energiya esa Q2 edi.
Ta'rifga asoslanib, samaradorlikni hisoblang:
ķ=A / Q1. A=Q1 - Q2.
Demak, issiqlik dvigatelining samaradorligi, formulasi ē=(Q1 - Q2)/ Q 1=1 - Q2/ Q1, quyidagi xulosalar chiqarishga imkon beradi:
- Samarali 1 dan (yoki 100%) oshmasligi kerak;
- Ushbu qiymatni maksimal darajada oshirish uchun siz ham kerakisitgichdan olinadigan energiyani oshirish yoki muzlatgichga beriladigan energiyani kamaytirish;
- isitgichning energiyasini oshirishga yoqilg'i sifatini o'zgartirish orqali erishiladi;
- muzlatgichga beriladigan energiyani kamaytirish, dvigatellarning dizayn xususiyatlariga erishish imkonini beradi.
Ideal issiqlik dvigateli
Effektivligi maksimal (ideal holda - 100% ga teng) bo'ladigan bunday dvigatelni yaratish mumkinmi? Fransuz nazariyotchi fizigi va iste'dodli muhandisi Sadi Karno bu savolga javob topishga harakat qildi. 1824 yilda uning gazlarda sodir bo'ladigan jarayonlar haqidagi nazariy hisob-kitoblari ommaga e'lon qilindi.
Ideal mashinaning asosiy g'oyasi ideal gaz bilan qaytariladigan jarayonlarni amalga oshirishdir. T1 haroratda gazning izotermik kengayishidan boshlaymiz. Buning uchun talab qilinadigan issiqlik miqdori 1-q. Keyin gaz issiqlik almashinuvisiz kengayadi (adiabatik jarayon). T2 haroratga yetgandan so'ng, gaz izotermik tarzda siqilib, Q2 sovutgichga o'tkaziladi. Gazning dastlabki holatiga qaytishi adiabatikdir.
Ideal Carnot issiqlik dvigatelining samaradorligi, aniq hisoblanganda, isitish va sovutish moslamalari o'rtasidagi harorat farqining isitgichdagi haroratga nisbatiga tengdir. Bu shunday ko'rinadi: ē=(T1 - T2)/ T1.
Issiqlik dvigatelining mumkin bo'lgan samaradorligi, formulasi: ē=1 - T2/ T 1 , faqat bogʻliqisitgich va sovutgich harorati va 100% dan oshmasligi kerak.
Bundan tashqari, bu nisbat sovutgich mutlaq nol haroratga yetgandagina issiqlik dvigatellarining samaradorligi birlikka teng boʻlishi mumkinligini isbotlashga imkon beradi. Ma'lumki, bu qiymatga erishib bo'lmaydi.
Karnoning nazariy hisob-kitoblari har qanday dizayndagi issiqlik dvigatelining maksimal samaradorligini aniqlash imkonini beradi.
Karno tomonidan isbotlangan teorema quyidagicha. Ixtiyoriy issiqlik dvigateli hech qanday holatda ideal issiqlik dvigatelining samaradorligidan yuqori samaradorlikka ega emas.
Muammo yechishga misol
1-misol. Isitgich harorati 800oS, muzlatgich harorati esa 500o bo'lsa, ideal issiqlik dvigatelining samaradorligi qanday bo'ladiPastdanmi?
T1=800oC=1073 K, ∆T=500o C=500 K, ē - ?
Yechim:
Tanrifi boʻyicha: ē=(T1 - T2)/ T1.
Bizga muzlatgich harorati berilmagan, lekin ∆T=(T1 - T2), shuning uchun:
ķ=∆T / T1=500 K/1073 K=0, 46.
Javob: Samaradorlik=46%.
2-misol. Isitgichning sotib olingan kilojoul energiyasi hisobiga 650 J foydali ish bajarilgan bo’lsa, ideal issiqlik dvigatelining samaradorligini aniqlang. Agar sovutish suvi harorati 400 K bo’lsa, issiqlik mashinasi isitkichning harorati qanday bo’ladi?
Q1 =1 kJ=1000 J, A=650 J, T2=400 K, ķ - ?, T 1 =?
Yechim:
Ushbu muammoda biz issiqlik o'rnatish haqida gapiramiz, uning samaradorligi formula bilan hisoblanishi mumkin:
ķ=A / Q1.
Isitgichning haroratini aniqlash uchun ideal issiqlik dvigatelining samaradorligi formulasidan foydalanamiz:
ķ=(T1 - T2)/ T1 =1 - T2/ T1.
Matematik oʻzgarishlarni amalga oshirgandan soʻng biz quyidagilarni olamiz:
T1=T2 /(1- ē).
T1=T2 /(1- A / Q1).
Hisoblash:
ķ=650 J/ 1000 J=0,65.
T1=400 K /(1- 650 J/ 1000 J)=1142,8 K.
Javob: ķ=65%, T1=1142, 8 K.
Haqiqiy shartlar
Ideal issiqlik dvigateli ideal jarayonlarni hisobga olgan holda ishlab chiqilgan. Ish faqat izotermik jarayonlarda bajariladi, uning qiymati Karno sikli grafigi bilan chegaralangan maydon sifatida aniqlanadi.
Aslida, harorat oʻzgarishi bilan birga gaz holatini oʻzgartirish jarayoni uchun sharoit yaratish mumkin emas. Atrofdagi narsalar bilan issiqlik almashinuvini istisno qiladigan materiallar yo'q. Adiabatik jarayon endi mumkin emas. Issiqlik uzatishda gazning harorati o'zgarishi kerak.
Haqiqiy sharoitda yaratilgan issiqlik dvigatellarining samaradorligi ideal dvigatellarning samaradorligidan sezilarli darajada farq qiladi. E'tibor bering, haqiqiy dvigatellardagi jarayonlar shunchalik tez o'zgaradikiuning hajmini o'zgartirish jarayonida ishlaydigan moddaning ichki issiqlik energiyasini isitgichdan keladigan issiqlik oqimi va muzlatgichga qaytarish bilan qoplab bo'lmaydi.
Boshqa issiqlik dvigatellari
Haqiqiy dvigatellar turli davrlarda ishlaydi:
- Otto sikli: doimiy hajmdagi jarayon adiabatik tarzda oʻzgarib, yopiq sikl hosil qiladi;
- Dizel aylanishi: izobar, adiabat, isochore, adiabat;
- gaz turbinasi: doimiy bosim jarayoni adiabatikaga oʻtadi va tsiklni yopadi.
Zamonaviy texnologiya sharoitida haqiqiy dvigatellarda muvozanat jarayonlarini yaratish (ularni idealga yaqinlashtirish) mumkin emas. Issiqlik dvigatellarining samaradorligi, hatto ideal termal o'rnatishdagi kabi bir xil harorat sharoitlarini hisobga olgan holda ham ancha past bo'ladi.
Ammo Karno siklining samaradorligini hisoblash formulasining rolini kamaytirmaslik kerak, chunki aynan mana shu formula haqiqiy dvigatellarning samaradorligini oshirish boʻyicha ish jarayonida boshlangʻich nuqtaga aylanadi.
Samaradorlikni oʻzgartirish yoʻllari
Ideal va haqiqiy issiqlik dvigatellarini solishtirganda shuni ta'kidlash kerakki, sovitkichning harorati hech qanday bo'lishi mumkin emas. Odatda atmosfera muzlatgich deb hisoblanadi. Atmosfera haroratini faqat taxminiy hisob-kitoblarda olish mumkin. Tajriba shuni ko'rsatadiki, sovutish suvi harorati dvigatellardagi chiqindi gazlar haroratiga teng, xuddi ichki yonuv dvigatellarida (qisqacha ICE).
ICE bizning dunyomizdagi eng keng tarqalgan issiqlik dvigatelidir. issiqlik samaradorligibu holda mashina yonayotgan yoqilg'i tomonidan yaratilgan haroratga bog'liq. Ichki yonish dvigateli va bug 'dvigatellari o'rtasidagi muhim farq havo-yonilg'i aralashmasida isitgich va qurilmaning ishchi suyuqligi funktsiyalarini birlashtirishdir. Aralash yonayotganda dvigatelning harakatlanuvchi qismlariga bosim hosil qiladi.
Ishchi gazlarning haroratini oshirish yoqilg'i xususiyatlarini sezilarli darajada o'zgartirish orqali erishiladi. Afsuski, buni cheksiz qilish mumkin emas. Dvigatelning yonish kamerasi ishlab chiqarilgan har qanday material o'zining erish nuqtasiga ega. Bunday materiallarning issiqlikka chidamliligi dvigatelning asosiy xarakteristikasi, shuningdek, samaradorlikka sezilarli ta'sir ko'rsatish qobiliyatidir.
Dvigatel samaradorligi qiymatlari
Kirish qismidagi ish bug’ining harorati 800 K, chiqindi gazi 300 K bo’lgan bug’ turbinasini hisobga oladigan bo’lsak, bu mashinaning unumdorligi 62% ni tashkil qiladi. Aslida, bu qiymat 40% dan oshmaydi. Bunday pasayish turbinaning korpusi qizdirilganda issiqlik yo'qotishlari tufayli sodir bo'ladi.
Ich yonuv dvigatellarining eng yuqori samaradorligi 44% dan oshmaydi. Bu qiymatni oshirish yaqin kelajak masalasidir. Materiallar va yoqilg'ilarning xususiyatlarini o'zgartirish - bu insoniyatning eng yaxshi ongi ustida ishlayotgan muammo.
