Värmemotorernas roll i mänskligt liv. Effektivitet Värmemotorernas roll i utvecklingen av teknik Värmemotorernas roll i Turkmenistans nationella ekonomi

I fläktar med positiv deplacement

Volymfläktar:

kolv

roterande

Kolvexpanderare

Pumps

Pumpar är hydrauliska maskiner för att lyfta och flytta vätskor.

Blad (centrifugal, axiell, virvel)

Volumetrisk (kolv, kolv)

Roterande (växel, glid, skruv)

Jet (injektorer och ejektorer).

I positiva deplacementpumpar överförs energi genom den påtvingade verkan av arbetsvätskan på det rörliga mediet och dess förskjutning. I skovelpumpar omvandlingen av päls. Hydraulenergi produceras av ett roterande hjul försett med blad.

Fans

Fläktar är mekaniska enheter som för luft genom luftkanaler, eller direkt tillför eller drar ut luft från ett rum. Luftrörelse uppstår på grund av skapandet av en tryckskillnad mellan fläktens inlopp och utlopp.

Fläktar är indelade i typer enligt flera indikatorer:

Kompressorer

Kompressor kallas en blåsmaskin konstruerad för att komprimera och tillföra luft eller någon gas under ett tryck på minst 0,2 MPa.

Kompressorer med positiv deplacement De arbetar enligt principen om förskjutning, när trycket på det rörliga mediet ökar som ett resultat av kompression. Dessa inkluderar kolv- och roterande kompressorer.

Dynamiska kompressorer arbeta efter principen om kraft som verkar på det rörliga mediet. Dessa inkluderar bladfläktar (radial, centrifugal, axiell) och friktionsfläktar (virvel, skiva, jet, etc.).

Flikiga kallas kompressorer där mediet rör sig på grund av energin som överförs till det när det strömmar runt impellerbladen.

Klassificering av värmemotorer:

Värmemotorer– det är maskiner där arbetsmiljöns termiska energi omvandlas till mekaniskt arbete.

Värmemotorer:

Ångturbiner. Ångan som genereras i ångpannan expanderar och passerar genom turbinbladen under högt tryck. Turbinen roterar och producerar mekanisk energi, som används av en generator för att producera el.

Gasturbin, en kontinuerlig värmemotor i vilken bladapparaten omvandlar energin från komprimerad och uppvärmd gas till mekaniskt arbete på axeln. Stirlingmotorn är en extern motor. I en förbränningsmotor brinner bränsle inuti cylindrarna och den frigjorda termiska energin omvandlas till mekaniskt arbete.

Kompressor effektivitet.

Inom energi förstås effektivitet vanligtvis som förhållandet mellan användbar energi och all förbrukad energi. Och ju högre andel användbar energi av den totala mängden förbrukad, desto högre effektivitet. När det gäller kompressormaskiner visar sig en sådan definition av effektivitet vara oacceptabel.

Därför, för att bedöma graden av perfektion hos riktiga kompressormaskiner, jämförs de med idealiska. Samtidigt introduceras isotermisk effektivitet för kylning av kompressorer:

ηfrån = liz / ld =Niz / Nd

liz - arbeta på drivningen av en idealisk kompressor under isotermisk kompression,

ld - faktiskt arbete på drivningen av en riktig kyld kompressor,

Niz,Nd - motsvarande krafter hos drivmotorerna;

Fördelar med PSU

· Kombianläggningar gör det möjligt att uppnå en elverkningsgrad på mer än 50 %. Låg kostnad per enhet installerad kapacitet

· Kombianläggningar förbrukar betydligt mindre vatten per enhet genererad el jämfört med ångkraftverk

· Kort byggtid (9-12 månader)

· Det finns inget behov av konstant tillförsel av bränsle via järnväg eller sjötransport

· Kompakta dimensioner tillåter konstruktion direkt hos konsumenten (fabriken eller i staden), vilket minskar kostnaderna för kraftledningar och eltransporter. energi

· Miljövänligare jämfört med ångturbinanläggningar

Nackdelar med PSU

· Låg enhetseffekt för utrustningen (160-972,1 MW per enhet), medan moderna värmekraftverk har en enhetseffekt på upp till 1200 MW, och kärnkraftverk har en enhetskapacitet på upp till 1200-1600 MW.

· Behovet av att filtrera luften som används för bränsleförbränning

Värmemotorernas plats och roll i värme- och kraftförsörjningssystem för industriföretag

Lamellpumpar är mest utbredda i den nationella ekonomin. Trycket de skapar kan överstiga 3500 m, och flödet - 100 000 m3/h i en enhet.

I termiska kraftverk används centrifugalpumpar för att driva pannor, tillföra kondensat i det regenerativa värmesystemet av matarvatten, cirkulerande vatten till turbinkondensatorer och nätverksvatten i värmesystem.

Nyligen, på grund av ökningen av kraften hos ångturbiner, används ibland axiella pumpar i kondenseringsenheter.

Centrifugal- och jetpumpar används vid värmekraftverk i hydrauliska askborttagningssystem.

Jetpumpar används för att avlägsna luft från ångturbinkondensatorer.

Bland de volymetriska pumparna inom termisk kraftteknik används kolvpumpar för att driva ångpannor med låg ångeffekt. Rotationspumpar används i kraftverk i smörj- och turbinstyrsystem.

På värmekraftverk används kolvkompressorer för att blåsa på pannornas värmeytor för att rengöra dem från flygaska och sot och förse tryckluft till pneumatiska reparationsverktyg.

5-2. Klassificering och användningsområde för deplacementfläktar och kolvexpanderar

En kompressor är en hydraulisk maskin där mekaniskt arbete omvandlas till mekanisk energi i arbetsmiljön. Huvudsyftet med överladdaren är att öka det totala trycket på det transporterade mediet.

I fläktar med positiv deplacement en ökning av arbetsfluidens energi uppnås genom kraftpåverkan från fasta arbetsfluider.

Volymfläktar:

kolv- arbeta med den arbetande kroppens translationella rörelse,

roterande- överladdare som arbetar med roterande rörelse av arbetskroppen.

Syftet med expandrar är att sänka temperaturen så mycket som möjligt under gasexpansion samtidigt som man utför externt arbete. Det finns två huvudtyper: kolv- och turboexpanderar. De förstnämnda används i lågkapacitetsinstallationer med högt och medelhögt lufttryck. De senare används främst i stora installationer, där expansionen av gaser i dem sker mestadels från lågt tryck.

Kolvexpanderar arbetar vid högre initiala gastemperaturer upp till omgivningstemperatur (Heylandt-processen). Turboexpanders, med undantag för uppstartsperioden, arbetar vid lägre temperaturer.

Det arbete som expandern gör används för att generera el. Detta gör det möjligt för gasinstallationer med syre att minska energiförbrukningen för att komprimera luften som kommer in i installationen med 3-4 %.

Kolvexpanderare

Kolvexpanderar för gasformiga syreinstallationer är konstruerade för att kyla relativt små mängder luft (flera hundra kubikmeter per timme) vid stora expansionsförhållanden (från 6 till 30). Funktionsprincipen för kolvexpanderar är att överföra gasexpansionsarbetet i cylindern till maskinens vevaxel genom en vevvevstångsmekanism Kolvexpanderare tillverkas i vertikala och horisontella versioner, och beroende på de initiala luftparametrarna tillhör de hög- eller medeltrycksmaskiner.

Arbetsprocessen i expandern består av sex processer.

Process 1-2 (påfyllning) sker med inloppsventilen öppen

Process 2-3 (expansion) sker med stängda ventiler; mängden gas i cylindern är konstant.

Process 3-4 (avgas) inträffar när kolven är i nedre dödpunkten. Den expanderade gasen kommer ut genom den öppna avgasventilen.

Process 4-5 (tryckning) sker medan kolven rör sig från BDC. Den expanderade och kylda gasen vid konstant tryck trycks ut ur cylindern in i rörledningen bakom expandern, där den blandas med den del av gasen som släpptes ut från cylindern i process 3-4. Utstötningen slutar vid punkt 5 när avgasventilen stänger.

Process 5-6 (omvänd kompression). Under denna process komprimeras den återstående gasen i cylindern när kolven rör sig tillbaka mot TDC. Samtidigt ökar gasens tryck och temperatur. Process 6-1 (intag) börjar vid punkt 6 när insugningsventilen öppnar.

I fig. 85 visar indikatordiagram för en verklig medeltrycksexpander.

a - tryckdiagram; b - temperaturdiagram

Värmemotorer är nödvändiga för att generera elektricitet för att driva de flesta transportfordon.

Av största vikt är användningen av kraftfulla ångturbiner i kraftverk för att rotera generatorrotorer. Ångturbiner installeras också vid kärnkraftverk, där energin från atomkärnor används för att producera högtemperaturånga.

Moderna transporter använder alla typer av värmemotorer. I bilar används traktorer, självgående skördetröskor, diesellokomotiv, kolvförbränningsmotorer, inom flyg - gasturbiner, i rymdraketer - jetmotorer.

Värmemotorer har vissa skadliga effekter på miljön:

1. Värmemotoreffektivitet η < 50 %, следовательно, большая часть энергии топлива рассеивается в окружающем пространстве, вредно влияя на общую экологическую обстановку:
2. värmekraftverk och bilar släpper ut bränsleförbränningsprodukter som är skadliga för växter, djur och människor (svavelföreningar, koloxider, kväveoxider etc.);
3. En ökning av koncentrationen av koldioxid i atmosfären ökar jordens "växthuseffekt".

I detta avseende har problemet med naturvård blivit mycket viktigt. För att skydda miljön är det nödvändigt att säkerställa:

1. effektiv rengöring av avgaser som släpps ut i atmosfären;
2. använda högkvalitativt bränsle, skapa förutsättningar för mer fullständig förbränning;
3. öka effektiviteten hos värmemotorer genom att minska friktionsförluster och fullständig förbränning av bränsle, etc.

Användningen av väte som bränsle för värmemotorer är lovande: förbränning av väte producerar vatten. Intensiv forskning pågår för att skapa elfordon som kan ersätta bensindrivna bilar.

Litteratur

Aksenovich L. A. Fysik i gymnasieskolan: Teori. Uppgifter. Prov: Lärobok. bidrag till institutioner som tillhandahåller allmän utbildning. miljö, utbildning / L. A. Aksenovich, N. N. Rakina, K. S. Farino; Ed. K.S. Farino. - Mn.: Adukatsiya i vyakhavanne, 2004. - S. 165.

GRUNDLÄGGANDE OM TERMODYNAMIK*

Lektion #6

Ämne. Värmemotorernas roll i samhällsekonomin. Miljöproblem i samband med deras användning

Mål: att fördjupa elevernas kunskaper om de fysiska principerna för drift av värmemotorer, deras ekonomiska tillämpningar, att bekanta eleverna med vetenskapens och teknikens prestationer för att förbättra värmemotorer; utveckla kommunikationskompetens, förmåga att analysera, dra slutsatser; att bilda en medveten inställning till miljöskydd, att odla elevernas intresse för fysik, att stimulera elevernas kreativa aktivitet.

Lektionstyp: lektion om generalisering och systematisering av kunskap.

Leveransform: lektionsseminarium.

Utrustning: kort med inskriptioner: historiker, ekologer, porträtt av fysiker.

II. Banduppträdanden

Historiker. 1696 uppfann den engelske ingenjören Thomas Savery (1650-1715) en ångpump för att lyfta vatten. Den användes för att pumpa vatten i tenngruvor. Dess arbete var baserat på att kyla uppvärmd ånga, som, när den komprimerades, skapade ett vakuum som drog vatten från gruvan in i röret.

1707 installerades Severi-pumpen i Sommarträdgården i St. Petersburg. Den engelske mekanikern Thomas Newcomen (1663-1729) skapade en ångmaskin för att pumpa vatten från gruvor 1705. År 1712, med hjälp av idéerna från Papin och Severy, byggde Newcomen en maskin som användes i gruvorna i England fram till mitten av 1700-talet.

De första praktiskt fungerande universella maskinerna skapades av den ryske uppfinnaren I. Polzunov (1766) och engelsmannen D. Watt (1774)

Polzunovs ångmaskin hade en höjd på 11 m, en pannvolym på 7 m3, en cylinderhöjd på 2,8 m och en effekt på 29 kW. Denna maskin arbetade länge på en av gruvfabrikerna i Ryssland.

Historiker. År 1765 designade och förbättrade J. Watt en ångmaskin av en i grunden ny typ. Hans maskin kunde inte bara pumpa ut vatten, utan också ge rörelse till maskiner, fartyg och besättningar. Fram till 1784 var skapandet av en universell ångmaskin praktiskt taget slutförd, och den blev det viktigaste sättet att generera energi i industriell produktion. Under åren 1769-1770 designade den franske uppfinnaren Nicolas Joseph Cugnot (1725-1804) en ångdriven vagn - bilens föregångare. Den förvaras fortfarande i museet för konst och hantverk i Paris.

Amerikanen Robert Fulton (1765-1815) seglade paddelångaren Clermont, som han byggde, längs Hudsonfloden 1807. Den 25 juli 1814 släpade den engelske uppfinnaren George Stephensons (1781-1848) lokomotiv 30 ton last i 8 vagnar längs en smalspårig järnväg med en hastighet av 6,4 km/h. År 1823 grundade Stephenson det första ångloksverket. Den första järnvägen från Stockton till Darlington började fungera 1825, följt av en allmän järnväg mellan industricentrumen Liverpool och Manchester 1830. James Nesmith (1808-1890) skapade en extremt kraftfull ånghammare 1839, som revolutionerade metallurgisk produktion. Han utvecklade också flera nya metallbearbetningsmaskiner.

Så började industrins och järnvägarnas blomstring - först i Storbritannien och sedan i andra länder i världen.

Lärare. Låt oss komma ihåg principen för driften av en värmemotor.

Mekaniker. Värmemotorer är maskiner där intern energi omvandlas till mekanisk energi.

Det finns flera typer av värmemotorer: ångmotor, förbränningsmotorer, ång- och gasturbiner, jetmotorer. I alla dessa motorer omvandlas bränsleenergi först till gas (ång)energi. Expanderande, gasen (ångan) fungerar och samtidigt svalnar en del av dess inre energi till mekanisk energi. Följaktligen har en värmemotor en värmare, en arbetsvätska och ett kylskåp. Detta etablerades 1824 av den franske vetenskapsmannen Sadi Carnot. Funktionsprincipen för en sådan maskin kan avbildas i ett diagram (fig. 1).

Dessutom fastställde Carnot att motorn måste arbeta i en sluten cykel och den mest lönsamma är en cykel som består av två isotermiska och två adiabatiska processer. Den kallas Carnot-cykeln och kan avbildas grafiskt (fig. 2).

Det är tydligt från grafen att arbetsvätskan utför användbart arbete, vilket är numeriskt lika med arean som beskrivs av cykeln, det vill säga området 1 - 2 - 3 - 4 - 1.

Lagen för bevarande och omvandling av energi för Carnot-cykeln är att den energi som arbetsvätskan tar emot från omgivningen är lika med den energi som den överför till miljön. Värmemotorer utför arbete på grund av skillnaden i gastryck på ytorna på kolvarna eller turbinbladen. Denna tryckskillnad skapas av en temperaturskillnad. Detta är driftprincipen för värmemotorer.

Mekaniker. En av de vanligaste typerna av värmemotorer är förbränningsmotorn (ICE), som nu används i olika fordon. Låt oss komma ihåg strukturen hos en sådan motor: huvudelementet är en cylinder med en kolv, inuti vilken bränsle brinner.

Cylindern har två ventiler - inlopp och avgas. Dessutom säkerställs motorns funktion genom närvaron av ett tändstift, en vevstångsmekanism och en vevaxel ansluten till bilens hjul. Motorn går i fyra slag (Fig. 3): Och slag är intaget av den brännbara blandningen; Slag II - kompression, i slutet av vilken bränslet antänds av en gnista från ett tändstift; Slag III - kraftslag, under detta slag utför gaserna som genereras från förbränning av bränsle arbete genom att trycka ner kolven; Slag IV - avgaser, när avgaser och kylda gaser kommer ut. En sluten cykelgraf som kännetecknar förändringar i gasens tillstånd under drift av denna motor visas i fig. 4.

Det användbara arbetet i en cykel är ungefär lika med arean av figuren 2 - 3 - 4 - 5 - 6 - 2. Spridningen av sådana motorer beror på det faktum att de är lätta i vikt, kompakta och har en relativt hög verkningsgrad (teoretiskt upp till 80 %, men praktiskt taget bara 30 %). Nackdelarna är att de drivs med dyrt bränsle, är komplexa i design, har en mycket hög rotationshastighet på motoraxeln och deras avgaser förorenar atmosfären.

Ekolog. För att öka förbränningseffektiviteten hos bensinmotorer (öka dess oktantal) tillsätts olika ämnen till den, främst etylvätska, som innehåller tetraetylbly, som spelar rollen som ett anti-knackmedel (ca 70% av blyföreningarna frigörs i luften när motorerna är igång). Närvaron av även en liten mängd bly i blodet leder till allvarliga sjukdomar, nedsatt intelligens, överexcitation, utveckling av aggressivitet, ouppmärksamhet, dövhet, infertilitet, tillväxthämning, vestibulära störningar och liknande.

Ett annat problem är kol(II)oxidutsläpp. Man kan föreställa sig mängden skador från CO om bara en bil släpper ut cirka 3,65 kg kol(II)oxid i luften per dag (parkeringen överstiger 500 miljoner, och trafiktätheten, till exempel, på Kievs motorvägar når 50- 100 tusen bilar per dag med utsläpp av 1800-9000 kg CO i luften varje timme!).

Toxiciteten av CO för människor är att när den kommer in i blodet, berövar den erytrocyter (röda blodkroppar) förmågan att transportera syre, vilket resulterar i syresvält, kvävning, yrsel och till och med död. Dessutom bidrar förbränningsmotorer med sin del till termisk förorening av atmosfären, lufttemperaturen i en stad där det finns ett stort antal bilar är alltid 3-5 °C högre än temperaturen utanför staden.

Historiker. Åren 1896-1897 s. Den tyske ingenjören G. Diesel föreslog en motor som hade högre verkningsgrad än de tidigare. 1899 anpassades dieselmotorn för att drivas med tungt flytande bränsle, vilket ledde till att den användes ytterligare i stor utsträckning.

Lärare. Vilka är skillnaderna mellan diesel- och förgasarförbränningsmotorer?

Mekaniker. Dieselmotorer är inte sämre i distribution än förgasarmotorer. Deras struktur är nästan densamma: cylinder, kolv, insugs- och avgasventiler, vevstake, vevaxel, svänghjul och inget tändstift.

Detta beror på det faktum att bränslet antänds inte från en gnista, utan från den höga temperaturen som skapas ovanför kolven på grund av plötslig komprimering av luft. Bränsle sprutas in i denna heta luft och det brinner och bildar en arbetsblandning. Denna motor är chotirictic, dess driftdiagram visas i fig. 5.

Motorns användbara arbete är lika med arean av figuren 2 - 3 - 4 - 5 - 6 - 2. Sådana motorer körs på billiga typer av bränsle, deras effektivitet är cirka 40%. Den största nackdelen är att deras funktion är mycket beroende av omgivningstemperaturen (vid låga temperaturer kan de inte fungera).

Ekolog. Betydande framsteg inom dieselmotorer har gjort dessa motorer "renare" än bensinmotorer; de används redan framgångsrikt i personbilar.

Dieselavgaser innehåller nästan ingen giftig koloxid, eftersom dieselbränsle inte innehåller blytetraetyl. Det vill säga dieselmotorer förorenar miljön betydligt mindre än förgasarmotorer.

Historiker. Nästa värmemotorer vi ska titta på är ång- och gasturbiner. Eftersom sådana maskiner huvudsakligen används i kraftverk (termiska och nukleära), bör tiden för deras introduktion i teknik betraktas som den andra hälften av 30-talet av 1900-talet, även om de första små projekten av sådana enheter gjordes redan på 80-talet av 1800-talet. Konstruktören av den första industriella gasturbinen bör övervägas. M. Makhovsky.

1883 föreslog den svenske ingenjören G. Dach den första konstruktionen av en enstegs ångturbin, och 1884-1885 sid. Engelsmannen C. Parson designade den första flerstegsturbinen. Charles Parson använde den vid vattenkraftverket i Elberfeld (Tyskland) 1899.

Mekaniker. Driften av turbiner är baserad på rotationen av ett hjul med blad under trycket av vattenånga eller gas. Därför är den huvudsakliga arbetsdelen av turbinen rotorn - en skiva monterad på en axel med blad längs dess kant. Ånga från ångpannan leds av speciella kanaler (munstycken) till rotorbladen. I munstyckena expanderar ångan, dess tryck faller, men flödeshastigheten ökar, det vill säga ångans inre energi omvandlas till strålens kinetiska energi.

Ångturbiner är av två typer: aktiva turbiner, vars rotorer roterar som ett resultat av struminis inverkan på bladen, och reaktiva turbiner, i vilka bladen är placerade så att ångan, som kommer ut från gapet mellan dem, skapar strålkraft. Fördelarna med en ångturbin inkluderar hög hastighet, betydande effekt och hög effekttäthet. Effektiviteten hos ångturbiner når 25%. Den kan ökas om turbinen har flera trycksteg bestående av munstycken och rotorblad som alternerar. Ånghastigheten i en sådan turbin minskar vid arbetsbladet och ökar sedan (efter att ha passerat genom munstycket) igen på grund av en minskning av trycket. Sålunda, från steg till steg, minskar ångtrycket successivt, och det utför upprepade gånger arbete. I moderna turbiner når antalet steg 30.

Nackdelen med turbiner är tröghet, oförmågan att reglera rotationshastigheten och avsaknaden av omvänd rörelse.

Ekolog. Användningen av ångturbiner i kraftverk kräver tilldelning av stora ytor för dammar där avgasångan kyls. Med ökningen av kraftverkskapaciteten ökar behovet av vatten kraftigt; dessutom, som ett resultat av ångkylning, släpps en stor mängd värme ut i miljön, vilket återigen leder till termisk excitation och en ökning av temperaturen på Jorden.

Historiker. Värmemotorer inkluderar jetmotorer. Teorin om sådana motorer återskapades i verk av E.K. Tsiolkovsky, som skrevs i början av 1900-talet, och deras introduktion är förknippad med namnet på en annan ukrainsk uppfinnare - S.P. Korolev. I synnerhet under hans ledning skapades de första jetmotorerna som användes på flygplan (1942), och senare (1957) lanserades den första rymdsatelliten och den första bemannade rymdfarkosten (1961). Vad är driftprincipen för jetmotorer?

Mekaniker. Värmemotorer som använder jetframdrivning och gasläckage kallas jetmotorer. Principen för deras funktion är att bränsle, när det förbränns, förvandlas till gas, som rinner ut ur motormunstyckena med hög hastighet, vilket tvingar flygplanet att röra sig i motsatt riktning. Låt oss titta på flera typer av sådana motorer.

En av de enklaste i design är en ramjetmotor. Detta är ett rör i vilket det mötande flödet tvingar luft, och flytande bränsle sprutas in i det och antänds. Heta gaser flyger ut ur röret i hög hastighet, vilket ger det jettryck. Nackdelen med denna motor är att den för att skapa dragkraft måste röra sig i förhållande till luften, det vill säga att den inte kan ta fart på egen hand. Den högsta hastigheten är 6000 - 7000 km/tim.

Om en jetmotor har en turbin och en kompressor, kallas en sådan motor en turbokompressor. Under drift av en sådan motor kommer luft in i kompressorn genom intaget, där den komprimeras och tillförs förbränningskammaren, där bränsle sprutas in. Här antänds den, förbränningsprodukterna passerar genom turbinen, som roterar kompressorn, och strömmar ut genom munstycket, vilket skapar jettryck.

Beroende på effektfördelningen är dessa motorer uppdelade i turbojet och turboprop. De förra spenderar det mesta av sin kraft på jet-framkraft, medan de senare spenderar större delen av sin kraft på att rotera gasturbinen.

Fördelen med dessa motorer är att de har större kraft, vilket ger de höga hastigheter som krävs för att lyfta ut i rymden. Nackdelarna är stora dimensioner, låg effektivitet och den skada de orsakar på miljön.

Ekolog. Eftersom jetmotorer också förbränner bränsle förorenar de, precis som alla värmemotorer, miljön med skadliga ämnen som frigörs vid förbränning. Dessa är koldioxid (CO 2), kolmonoxid (CO), svavelföreningar, kväveoxider och andra. Om massorna av dessa ämnen under driften av bilmotorer uppgick till kilogram, är de nu ton och centners. Dessutom påverkar höghöjdsflygningar av flygplan, uppskjutningar av rymdraketer och flygningar av militära ballistiska missiler negativt atmosfärens ozonskikt och förstör det. Det uppskattas att hundra på varandra följande uppskjutningar av rymdfärjan nästan helt kan förstöra det skyddande ozonskiktet i jordens atmosfär, lärare. Hur ska framtidens motorer se ut? Mekaniker. De flesta experter tror att dessa bör vara vätemotorer, det vill säga sådana där väte kommer att reagera med syre, vilket resulterar i bildandet av vatten. Utvecklingar som genomförs i denna riktning ger många olika utformningar av sådana motorer: från de där tankarna är fyllda med lämpliga gaser, till bilar där bränslet är sockersirap. Det finns även konstruktioner där bränslet är olja, alkohol och även biologiskt avfall. Men än så länge existerar alla dessa motorer bara i form av experimentella prover, som fortfarande är långt ifrån att introduceras i industriell produktion. Men även denna utveckling ger hopp om att vi i framtiden kommer att ha mycket mer miljövänliga bilar än moderna. Och även om vi ännu inte lyckats skapa en värmemotor som inte alls skulle förorena miljön, kommer vi att sträva efter detta.

III. Läxa

Gör ditt läxprov

Alternativ 1

1. Gastrycket under kolven är 490 kPa. Hur mycket arbete gör en gas om den värms upp vid konstant tryck till en temperatur som är två gånger dess ursprungliga temperatur? Den initiala gasvolymen är 10 l.

2. Ånga kommer in i turbinen vid en temperatur på 500 °C och går ut vid en temperatur på 30 °C. Förutsatt att turbinen är en idealisk värmemotor, beräkna dess effektivitet.

3. Eller kommer luften i rummet att svalna om du håller dörren till ett inkopplat kylskåp öppen?

Alternativ 2

1. Hur mycket förändras den inre energin i 200 g helium när temperaturen ökar med 20 K?

2. Temperaturen på värmaren i en idealisk maskin är 117 °C, och temperaturen i kylskåpet är 27 °C. Mängden värme som maskinen får från värmaren på 1 s är 60 kJ. Beräkna maskinens effektivitet, mängden värme som kylskåpet tar på 1 s och maskinens effekt.

3. När är effektiviteten hos en värmemotor högre: i kallt eller varmt väder?

Bilaga 1

Ångmaskin av I. Polzunov

James Watt förbättrade Newcomens ångpump och ökade dess effektivitet. Hans ångmaskiner, tillverkade 1775, användes i många fabriker i Storbritannien

Bilaga 3

Jetmotorstrukturdiagram

För närvarande är det omöjligt att nämna ett enda område av mänsklig produktionsverksamhet där termiska installationer inte används. Rymdteknik, metallurgi, verktygsmaskiner, transport, energi, jordbruk, kemisk industri, livsmedelsproduktion - detta är inte en komplett lista över sektorer av den nationella ekonomin där vetenskapliga och tekniska frågor relaterade till värmeinstallationer måste lösas.

I värmemotorer och termiska installationer omvandlas värme till arbete eller arbete till värme.

En ångturbin är en värmemotor där den potentiella energin hos ånga omvandlas till kinetisk energi och kinetisk energi till mekanisk rotationsenergi för rotorn. Turbinrotorn är direkt ansluten till arbetsmaskinens axel, som kan vara en elektrisk generator, en propeller etc.

Användningen av värmemotorer i järnvägstransporter är särskilt stor, eftersom Med tillkomsten av diesellokomotiv på järnvägar har transporten av huvuddelen av gods och passagerare i alla riktningar underlättats. Diesellokomotiv dök upp på sovjetiska järnvägar för mer än ett halvt sekel sedan på initiativ av V.I. Lenin. Dieselmotorer driver diesellokomotivet direkt, och med hjälp av en elektrisk transmission, elektriska strömgeneratorer och elmotorer. På samma axel med varje diesellokomotiv finns en likströmsgenerator. Den elektriska strömmen som genereras av generatorn kommer in i traktionsmotorerna som är placerade på diesellokomotivets axlar. Ett diesellokomotiv är mer komplext än ett ellok och kostar mer, men det kräver inget kontaktnät eller dragstationer. Ett diesellokomotiv kan användas överallt där järnvägsspår läggs, och detta är dess stora fördel. Diesel är en ekonomisk motor, petroleumbränslereserven på ett diesellokomotiv räcker för en lång resa. För att transportera stor och tung last byggdes tunga lastbilar, där bensinmotorer ersattes med kraftfullare dieselmotorer. Samma motorer fungerar på traktorer, skördetröskor och fartyg. Användningen av dessa motorer underlättar i hög grad mänskligt arbete. År 1897 föreslog den tyske ingenjören R. Diesel en motor med kompressionständning som kunde köras inte bara på bensin, utan också på vilket annat bränsle som helst: fotogen, olja. Motorerna kallades även dieslar.

Värmemotorernas historia går långt tillbaka i tiden. För mer än två tusen år sedan, på 300-talet f.Kr. eran, byggde den store grekiske mekanikern och matematikern Arkimedes en kanon som sköt med ånga.

Det finns hundratals miljoner värmemotorer i världen idag. Till exempel installeras förbränningsmotorer på bilar, fartyg, traktorer, motorbåtar etc. Iakttagelsen att förändringar i kropparnas temperatur ständigt åtföljs av förändringar i deras volymer går tillbaka till den avlägsna antiken, men bestämningen av den absoluta värdet av förhållandet mellan dessa förändringar hör bara till modern tid. Före termometrarnas uppfinning kunde sådana definitioner naturligtvis inte tänkas, men med termometrins utveckling blev en noggrann studie av detta samband absolut nödvändig. I slutet av förra 1700-talet och början av det nuvarande 1800-talet ackumulerades dessutom många olika fenomen som föranledde noggranna mätningar av kropparnas expansion från värme; dessa var: behovet av att korrigera barometriska avläsningar vid bestämning av höjder, bestämning av astronomisk brytning, frågan om elasticiteten hos gaser och ångor, den gradvis ökande användningen av metaller för vetenskapliga instrument och tekniska ändamål, etc.

Först och främst övergick jag naturligtvis till definitionen av luftexpansion, som i sin storlek var mest slående och verkade lättast mätbar. Många fysiker fick snart ett stort antal resultat, men några av dem var ganska motsägelsefulla. Amonton, för att reglera sin normala termometer, mätte luftens expansion när den värmdes upp från 0° till 80° R och bestämde relativt exakt att den var 0,380 av dess volym vid 0°. Å andra sidan fick Nuge 1705, med hjälp av en något modifierad anordning, en gång ett antal dubbelt så stort, och en annan gång ett antal till och med 16 gånger större. La Hire (1708) fick också 1,5 och till och med 3,5 istället för Amonton-numret. Goakesby (1709) fann talet 0,455; Kryukius (1720) -- 0,411; Loggar -- 0,333; Bonn - 0,462; Muschenbreck - 0,500; Lambert ("Pyrometrie", s. 47) - 0,375; Deluc - 0,372; I.T. Meyer - 0,3755 och 0,3656; Saussure - 0,339; Vandermonde, Berthollet och Monge fick (1786) - 0,4328. Priestley, som erhöll ett antal av 0,9375 som avsevärt avviker från det verkliga antalet för luftens expansion, hävdade dessutom att syre, kväve, väte, kolsyra, ångor av salpetersyra, saltsyra, svavelsyra, fluorvätesyra och ammoniak - de skiljer sig alla åt. i deras expansion från luft. G. G. Schmidt (“Green’s Neues Journ.”, IV, s. 379) erhöll för luftens expansion talet 0,3574, för syre 0,3213 och slutligen för väte, kolsyra och kväve 0,4400, 0 ,4352, 0,4787 Morveau och Duvernoy Morveau ställde sig på Priestleys åsikt, men fann i allmänhet att expansionen av gaser inte är helt proportionell mot förändringen i temperatur.

Teoretiskt material

Sedan urminnes tider har människan velat vara fri från fysisk ansträngning eller att lätta på det när man flyttar något, för att få mer styrka och snabbhet.

Legender skapades om flygplansmattor, sju-liga stövlar och trollkarlar som bär en person till avlägsna länder med vågen av en trollstav. När man bär tunga laster uppfann folk vagnar eftersom det är lättare att rulla. Sedan anpassade de djur - oxar, rådjur, hundar och framför allt hästar. Så här såg vagnar och vagnar ut. I vagnar sökte människor komfort och förbättrade dem mer och mer.

Människors önskan att öka hastigheten påskyndade också förändringen av händelserna i transportutvecklingens historia. Från det grekiska "autos" - "själv" och det latinska "mobilis" - "mobil", bildades adjektivet "självgående", bokstavligen "bil", på europeiska språk.

Det gällde klockor, automatiska dockor, för alla möjliga mekanismer, i allmänhet, för allt som fungerade som ett slags tillägg till "fortsättning", "förbättring" av en person. På 1700-talet försökte de ersätta arbetskraft med ångkraft och använde termen "bil" på spårlösa vagnar.

Varför börjar en bils ålder från de första "bensinbilarna" med förbränningsmotor, uppfanns och byggdes 1885-1886? Som om man glömmer ånga och batteri (elektriska) besättningar. Faktum är att förbränningsmotorn gjorde en verklig revolution inom transportteknik. Under lång tid visade det sig vara den mest överensstämmande med idén om en bil och behöll därför sin dominerande ställning under lång tid. Andelen fordon med förbränningsmotorer står idag för mer än 99,9 % av den globala vägtransporten.<Приложение 1>

Huvuddelar av en värmemotor

I modern teknik erhålls mekanisk energi huvudsakligen från bränslets inre energi. Enheter där intern energi omvandlas till mekanisk energi kallas värmemotorer. För att utföra arbete genom att bränna bränsle i en anordning som kallas en värmare, kan du använda en cylinder där gas värms upp och expanderar och flyttar en kolv.<Приложение 3>Gasen vars expansion får kolven att röra sig kallas arbetsvätska. Gasen expanderar eftersom dess tryck är högre än det yttre trycket. Men när gasen expanderar sjunker dess tryck, och förr eller senare blir det lika med det yttre trycket. Då upphör gasens expansion och den slutar fungera.

Vad ska göras så att värmemotorns drift inte stannar? För att motorn ska fungera kontinuerligt är det nödvändigt att kolven, efter att ha expanderat gasen, återgår till sitt ursprungliga läge varje gång och komprimerar gasen till sitt ursprungliga tillstånd. Kompression av en gas kan endast ske under påverkan av en yttre kraft, som i detta fall fungerar (gastryckkraften i detta fall fungerar negativt). Efter detta kan gasexpansion och kompressionsprocesser inträffa igen. Detta innebär att driften av en värmemotor måste bestå av periodiskt upprepade processer (cykler) av expansion och kompression.

Bild 1

Figur 1 visar grafiskt processerna för gasexpansion (linje AB) och kompression till den ursprungliga volymen (linje CD). Det arbete som gasen utför under expansionsprocessen är positivt (AF > 0) och är numeriskt lika med arean av figuren ABEF. Gasarbetet som utförs under kompression är negativt (eftersom AF< 0) и численно равна площади фигуры CDEF. Полезная работа за этот цикл численно равна разности площадей под кривыми АВ и CD (закрашена на рисунке).

Närvaron av en värmare, arbetsvätska och kylskåp är ett grundläggande villkor för kontinuerlig cyklisk drift av alla värmemotorer.

Värmemotoreffektivitet

Arbetsvätskan, som tar emot en viss mängd värme Q1 från värmaren, ger en del av denna mängd värme, lika med modul |Q2|, till kylskåpet. Därför kan det utförda arbetet inte vara större än A = Q1 -- |Q2|. Förhållandet mellan detta arbete och mängden värme som tas emot av den expanderande gasen från värmaren kallas värmemotorns effektivitet:

Verkningsgraden för en värmemotor som arbetar i en sluten cykel är alltid mindre än en. Uppgiften för termisk kraftteknik är att göra verkningsgraden så hög som möjligt, det vill säga att använda så mycket av värmen som tas emot från värmaren som möjligt för att producera arbete. Hur kan detta uppnås?

För första gången föreslog den franske fysikern och ingenjören S. Carnot 1824 den mest perfekta cykliska processen, bestående av isotermer och adiabater.

Carnot cykel.

Låt oss anta att gasen är i en cylinder, vars väggar och kolv är gjorda av ett värmeisolerande material och botten är gjord av ett material med hög värmeledningsförmåga. Volymen som upptas av gasen är lika med V1.

figur 2

Låt oss föra cylindern i kontakt med värmaren (Figur 2) och låta gasen expandera isotermiskt och fungera. Gasen får en viss mängd värme Q1 från värmaren. Denna process representeras grafiskt av en isoterm (kurva AB).

Figur 3

När gasvolymen blir lika med ett visst värde V1"< V2, дно цилиндра изолируют от нагревателя, после этого газ расширяется адиабатно до объема V2, соответствующего максимально возможному ходу поршня в цилиндре (адиабата ВС). При этом газ охлаждается до температуры T2 < T1.

Den kylda gasen kan nu komprimeras isotermiskt vid temperatur T2. För att göra detta måste den bringas i kontakt med en kropp med samma temperatur T2, d.v.s. med ett kylskåp, och gasen måste komprimeras av en yttre kraft. Men i denna process kommer gasen inte att återgå till sitt ursprungliga tillstånd - dess temperatur kommer alltid att vara lägre än T1.

Därför bringas isotermisk kompression till en viss mellanvolym V2">V1 (isoterm CD). I detta fall avger gasen en viss mängd värme Q2 till kylskåpet, lika med kompressionsarbetet som utförs på det. Efter detta , gasen komprimeras adiabatiskt till volym V1, medan dess temperatur stiger till T1 (adiabatisk DA) Nu har gasen återgått till sitt ursprungliga tillstånd, där dess volym är V1, temperaturen är T1, trycket är p1, och cykeln kan vara upprepas igen.

Så i ABC-sektionen fungerar gasen (A > 0), och i CDA-sektionen görs arbetet på gasen (A< 0). На участках ВС и AD работа совершается только за счет изменения внутренней энергии газа. Поскольку изменение внутренней энергии UBC = -UDA, то и работы при адиабатных процессах равны: АВС = -АDA. Следовательно, полная работа, совершаемая за цикл, определяется разностью работ, совершаемых при изотермических процессах (участки АВ и CD). Численно эта работа равна площади фигуры, ограниченной кривой цикла ABCD.

Endast en del av mängden värme QT som tas emot från värmaren, lika med QT1- |QT2|, omvandlas faktiskt till nyttigt arbete. Så i Carnot-cykeln är det användbara arbetet A = QT1 - |QT2|.

Teknisk termodynamik. Grundläggande begrepp och definitioner

Kartashevich, A.N., Kostenich, V.G., Pontalev, O.V.

K 27 Termisk teknik: föreläsningskurs. Del 1. – Gorki: Vitryska statens jordbruksakademi, 2011. 48 sid.

ISBN 978-985-467-319-6

De grundläggande parametrarna och tillståndsekvationerna för idealgaser, konceptet och typerna av värmekapacitet, ideala gasblandningar och metoder för att bestämma deras parametrar beaktas. Formuleringarna och grundläggande bestämmelserna i termodynamikens första och andra lag ges, liksom en analys av de grundläggande termodynamiska processerna för idealgaser.

För studenter på specialitet 1-74 06 01 – Tekniskt stöd för jordbruksproduktionsprocesser, 1-74 06 04 – Tekniskt stöd för återvinnings- och vattenförvaltningsarbeten, 1-74 06 06 – Logistikstöd för det agroindustriella komplexet.

Tabeller 4. Figurer 27. Bibliografi. 12.

Recensenter: A.S. DOBYSHEV, doktor i teknik. Vetenskaper, professor, chef. Institutionen för mekanisering av boskapsskötsel och elektrifiering av jordbruksproduktion (EI "BSAHA"); V.G. SAMOSYUK, Ph.D. ekonomi. Sciences, generaldirektör för Republican Unitary Enterprise "Scientific and Practical Center of the National Academy of Sciences of Vitryssland för jordbruksmekanisering."

UDC 621,1 (075,8)

BBK 31,3ya73

Värme används inom alla områden av mänsklig aktivitet - för att generera elektricitet, köra fordon och olika mekanismer, värma lokaler, såväl som för tekniska behov.

Det huvudsakliga sättet att få värme idag är förbränning av fossila bränslen – kol, olja och gas, som tillgodoser cirka 90 % av mänsklighetens energibehov. Data om energiförbrukningen i världen under de senaste åren och dess fördelning per typ presenteras i tabell. 1 .

Bord 1. Världsenergiförbrukningens struktur 1998–2008

Som framgår av tabellen. 1 data ökar den globala energiförbrukningen från år till år. Befolkningen och mänskliga behov växer ständigt, och detta orsakar en ökning av energiproduktionen och ökningstakten av dess konsumtion.

Reserverna av olja, gas och kol är dock inte oändliga och enligt prognoser kan de utforskade resurserna räcka: olja i 40 år, gas i 60 år, kol i 120 år. Naturliga uranreserver är tillräckliga för att tillgodose världens energibehov i cirka 85 år.

En annan faktor som begränsar den ytterligare ökningen av energiproduktionen genom förbränning av bränsle är den ständigt ökande föroreningen av miljön från dess förbränningsprodukter. Inte mindre farligt är termisk förorening av miljön, vilket leder till global uppvärmning och klimatförändringar, smältande glaciärer och stigande havsnivåer.

Inom kärnenergin uppstår miljöproblem av annat slag, förknippade med behovet av att omhänderta kärnavfall, vilket också är förenat med stora svårigheter.

För att bestämma de mest rationella sätten att använda värme, analysera effektiviteten av arbetsprocesser för termiska installationer och skapa nya, mer avancerade typer av termiska apparater, är kunskap om de teoretiska grunderna för värmeteknik nödvändig.