Soojusmootor: määratlus, tüübid ja näited

Soojusmootorid on su ümber. Sõites autost külmkapini, mis hoiab teie toitu jahedana, kuni maja kütte- ja jahutussüsteemideni, töötavad need kõik samadel põhiprintsiipidel.

Iga soojusmootori eesmärk on muuta soojusenergia kasulikuks tööks ja selleks saate kasutada palju erinevaid lähenemisviise. Üks lihtsamaid soojusmootorite vorme on Carnot mootor, mis on nimetatud prantsuse füüsiku Nicolase järgi Leonard Sadi Carnot, mis on üles ehitatud idealiseeritud neljaastmelise protsessi ümber, mis sõltub adiabaatilisest ja isotermilisest etapid.

Kuid Carnoti mootor on vaid üks näide soojusmasinast ja paljud teised tüübid saavutavad sama põhieesmärgi. Termodünaamikat õppivate inimeste jaoks on oluline õppida, kuidas soojusmootorid töötavad ja kuidas teha näiteks soojusmootori efektiivsust.

Soojusmootor on termodünaamiline süsteem, mis muudab soojusenergia mehaaniliseks energiaks. Ehkki paljud erinevad disainilahendused kuuluvad selle üldise rubriigi alla, leidub mitmetes põhikomponentides peaaegu igas soojusmootoris.

Iga soojusmootor vajab kuumavanni või kõrgel temperatuuril soojusallikat, millel võib olla palju erinevaid vorme (näiteks tuumareaktor on tuumaelektrijaama soojusallikas, kuid paljudel juhtudel kasutatakse soojuseks põletavat kütust allikas). Lisaks peab olema madalatemperatuuriline külm reservuaar ja mootor ise, mis on tavaliselt gaas, mis soojuse rakendamisel paisub.

Mootor neelab kuumast reservuaarist soojust ja paisub ning see paisumisprotsess on see, mis töötab keskkonnas, tavaliselt kolviga kasutatavas vormis. Seejärel eraldab süsteem soojusenergia tagasi külmhoidlasse ja naaseb oma algsesse olekusse. Seejärel kordub protsess korduvalt tsükliliselt, et pidevalt kasulikku tööd luua.

Termodünaamilised tsüklid või mootoritsüklid on üldine viis kirjeldada paljusid spetsiifilisi termodünaamilisi süsteeme, mis töötavad enamikul soojusmootoritel tavalisel tsüklilisel viisil. Termodünaamiliste tsüklitega töötava soojusmasina lihtsaim näide on Carnoti mootor või Carnoti tsüklil töötav mootor. See on soojusmootori idealiseeritud vorm, mis hõlmab ainult pöörduvaid protsesse, eriti adiabaatilist ja isotermilist kokkusurumist ja paisumist.

Kõik sisepõlemismootorid töötavad Otto tsüklil, mis on veel üks termodünaamilise tsükli tüüp, mis kasutab kolvi töö tegemiseks kütuse süütamist. Esimeses etapis langeb kolb, et tõmmata mootorisse kütuse-õhu segu, mis seejärel surutakse teises etapis adiabaatiliselt kokku ja kolmandas süttib.

Enne väljalaskeklapi avanemist toimub kiire temperatuuri ja rõhu tõus, mis töötab kolbil adiabaatilise paisumise kaudu, mis viib rõhu vähenemiseni. Lõpuks tõuseb kolb kulutatud gaaside puhastamiseks ja mootori tsükli lõpuleviimiseks.

Teine soojusmootoritüüp on Stirlingi mootor, mis sisaldab fikseeritud koguses gaasi, mis liigub protsessi erinevates etappides kahe erineva silindri vahel. Esimene etapp hõlmab gaasi kuumutamist temperatuuri tõstmiseks ja kõrge rõhu tekitamiseks, mis liigutab kolvi kasuliku töö tagamiseks.

Seejärel tõuseb kolb tagasi ülespoole ja surub gaasi teise silindrisse, kus külm seda jahutab enne uuesti kokkusurumist, protsess nõuab vähem tööd kui eelmises etapp. Lõpuks viiakse gaas tagasi algsesse kambrisse, kus kordub Stirlingi mootoritsükkel.

Soojusseadme kasutegur on kasuliku töö ja soojus - või soojusenergia suhtarv ning tulemus on alati väärtus vahemikus 0 kuni 1, ilma ühikuteta, kuna mõõdetakse nii soojusenergiat kui ka töö väljundit džaulid. See tähendab, et kui teil oleks atäiuslik- soojusmootor, selle kasutegur oleks 1 ja see muudaks kogu soojusenergia kasutatavaks tööks ja kui õnnestuks pool sellest teisendada, oleks efektiivsus 0,5. Põhivormis võib valem olla kirjutatud:

Muidugi on soojusmootori efektiivsus 1 võimatu, sest termodünaamika teine ​​seadus ütleb, et mis tahes suletud süsteem kasvab aja jooksul entroopias. Ehkki on olemas entroopia täpne matemaatiline määratlus, mille abil saate sellest aru saada, lihtsaim viis mõelge sellele, et mis tahes protsessi loomulik ebaefektiivsus toob kaasa energia kadumise, tavaliselt jäätmete kujul kuumus. Näiteks on mootori kolvil kahtlemata mingi hõõrdumine, mis töötab selle liikumise vastu, mis tähendab, et süsteem kaotab soojuse tööks muundamise käigus energia.

Soojusmootori teoreetilist maksimaalset efektiivsust nimetatakse Carnoti efektiivsuseks. Selle võrrand seob kuuma reservuaari temperatuuriT​_H ja külm reservuaarT​_C tõhususele (η) mootori.

Kui soovite väljendada vastust protsentides, võite selle tulemuse korrutada 100-ga. Oluline on meeles pidada, et see onteoreetilinemaksimaalselt - on ebatõenäoline, et ükski reaalse mootor läheneb tegelikkuses Carnoti efektiivsusele.

Oluline on märkida, et maksimeerite soojusmootorite efektiivsust, suurendades kuuma reservuaari ja külma mahuti temperatuuri erinevust. Automootori jaoksT​_H on põlemisel mootori sees olevate gaaside temperatuur jaT​_C on temperatuur, mille juures nad mootorist välja surutakse.

Aurumootor ja auruturbiinid on kaks kõige tuntumat näidet soojusmasinast ja aurumasina leiutamine oli oluline industrialiseerimise sündmus ajalooliseks sündmuseks ühiskonnas. Aurumasin töötab väga sarnaselt teiste seni käsitletud soojusmasinatega: boiler muudab vett auruks, mis suunatakse kolvi sisaldavasse silindrisse ja auru kõrge rõhk liigutab silinder.

Aur kannab osa soojusenergiast silindrisse, muutudes selle käigus jahedamaks, ja kui kolb on täielikult välja lükatud, lastakse järelejäänud aur silindrist välja. Sel hetkel naaseb kolb oma algsesse asendisse (mõnikord juhitakse aur ümber teise nii, et see saaks ka selle tagasi lükata) ja termodünaamiline tsükkel algab uuesti suurema auruga.

See suhteliselt lihtne konstruktsioon võimaldab toota suures koguses kasulikku tööd kõigest, mis suudab vett keeta. Selle konstruktsiooniga soojusmasina efektiivsus sõltub auru ja ümbritseva õhu temperatuuri erinevusest. Auruvedur kasutab sellest protsessist loodud tööd rataste pööramiseks ja rongi tõukamiseks.

Auruturbiin töötab väga sarnaselt, välja arvatud see, et töö läheb kolvi liigutamise asemel turbiini pööramiseks. See on eriti kasulik viis elektri tootmiseks auru tekitatud pöörlemisliikumise tõttu.

Sisepõlemismootor töötab ülalkirjeldatud Otto tsükli alusel, bensiinimootorite jaoks kasutatakse ottomootorit ja diiselmootorite jaoks diiselmootorit. Peamine erinevus nende vahel on kütuse-õhu segu süttimise viis, kusjuures kütuse-õhu segu surutakse kokku ja seejärel bensiinimootorites füüsiliselt süttinud ja diiselmootorites suruõhku pihustatud kütust, mis põhjustab selle süttimise temperatuur.

Peale selle on ülejäänud Otto tsükkel lõpule viidud, nagu eespool kirjeldatud: Kütus tõmmatakse mootorisse (või diislikütus), kokkusurutud, süttinud (sädemega kütuse jaoks ja kütuse pihustamiseks diislikütuse kuuma suruõhku), mis teeb kasutatavat tööd adiabaatilise paisumise abil kolvi külge ja seejärel avaneb väljalaskeklapp rõhu vähendamiseks ja kolb surub kasutatud gaas.

Soojuspumbad, konditsioneerid ja külmikud töötavad ka teatud soojustsükli vormis, kuigi neil on erinev eesmärk kasutada tööd soojusenergia ümberpaigutamiseks, mitte vastupidi. Näiteks soojuspumba küttetsüklis neelab külmutusagensi madalama temperatuuri tõttu välisõhust soojuse (kuna soojusenergiaalativoolab kuumast külmani) ja surutakse seejärel läbi kompressori, et tõsta selle rõhku ja seega temperatuuri.

Seejärel viiakse see kuumem õhk kondensaatorisse, köetava ruumi lähedusse, kus sama protsess kannab ruumi soojust. Lõpuks viiakse külmutusagens läbi klapi, mis alandab rõhku ja seeläbi ka temperatuuri, olles valmis järgmiseks küttetsükliks.

Jahutustsüklis (nagu kliimaseadmes või külmkapis) kulgeb protsess sisuliselt vastupidi. Külmaagens imab ruumist (või külmkapi seest) soojusenergiat, kuna seda hoitakse temperatuuril a külm temperatuur ja seejärel surutakse see läbi kompressori rõhu suurendamiseks ja temperatuur.

Sel hetkel liigub see ruumi väljastpoolt (või külmkapi tagaküljelt), kus soojusenergia kantakse jahedamasse välisõhku (või ümbritsevasse ruumi). Seejärel saadetakse külmutusagensi rõhu ja temperatuuri alandamiseks läbi ventiili, lugedes järgmise küttetsükli jaoks.

Kuna nende protsesside eesmärk on vastupidine mootori näidetele, on ka soojuspumba või külmiku efektiivsuse väljendus erinev. See on vormilt siiski üsna etteaimatav. Kütmiseks:

Ja jahutamiseks:

KusQterminid on mõeldud soojusenergiale, mis viidi tuppa (H-indeksiga) ja sealt välja (koos C-indeksiga) jaW​_aastal on süsteemi sisestatud töö sisend elektri kujul. Jällegi on see väärtus mõõtmeteta arv vahemikus 0 kuni 1, kuid võite soovi korral protsendi saamiseks korrutada tulemuse 100-ga.

Elektrijaamad või elektrijaamad on tegelikult vaid üks soojusmootorite vorm, olenemata sellest, kas nad loovad soojust tuumareaktorit kasutades või kütust põletades. Soojusallikat kasutatakse turbiinide liigutamiseks ja seeläbi mehaanilise töö tegemiseks, kasutades sageli auruturbiini pöörlemiseks kuumutatud veest saadud auru, mis toodab elektrit ülalkirjeldatud viisil. Kasutatav täpne soojustsükkel võib elektrijaamades erineda, kuid tavaliselt kasutatakse Rankine'i tsüklit.

Rankine'i tsükkel algab sellest, et soojusallikas tõstab vee temperatuuri, seejärel veeauru paisumine a turbiin, millele järgneb kondensatsioon kondensaatoris (protsessis eraldub heitsoojus), enne kui jahutatud vesi jõuab pump. Pump tõstab vee rõhku ja valmistab selle ette edasiseks kuumutamiseks.