Šilumos variklis: apibrėžimas, tipai ir pavyzdžiai

Šiluminiai varikliai yra aplink jus. Nuo automobilio, kurį vairuojate, iki šaldytuvo, kuris palaiko jūsų maisto vėsą, iki namo šildymo ir aušinimo sistemų, jie visi veikia pagal tuos pačius pagrindinius principus.

Bet kurio šilumos variklio tikslas yra paversti šilumos energiją naudingu darbu, ir tam galite naudoti daugybę skirtingų būdų. Viena iš paprasčiausių šilumos variklių formų yra „Carnot“ variklis, pavadintas prancūzų fiziko Nicolaso ​​vardu Leonardas Sadi Carnotas, pastatytas aplink idealizuotą keturių pakopų procesą, kuris priklauso nuo adiabatinio ir izoterminio etapai.

Tačiau „Carnot“ variklis yra tik vienas iš šiluminių variklių pavyzdžių, ir daugelis kitų tipų pasiekia tą patį pagrindinį tikslą. Sužinoti apie tai, kaip veikia šilumos varikliai ir kaip atlikti tokius dalykus, kaip apskaičiuoti šilumos variklio efektyvumą, svarbu kiekvienam, studijuojančiam termodinamiką.

Šiluminis variklis yra termodinaminė sistema, paverčianti šilumos energiją mechanine. Nors šiai bendrai pozicijai priskiriama daugybė skirtingų konstrukcijų, beveik visi šilumos varikliai turi keletą pagrindinių komponentų.

Bet kuriam šilumos varikliui reikalinga šilumos vonia arba aukštos temperatūros šilumos šaltinis, kuris gali būti įvairių formų (pavyzdžiui, branduolinis reaktorius yra atominės elektrinės šilumos šaltinis, tačiau daugeliu atvejų kaip kuras naudojamas deginamas kuras šaltinis). Be to, turi būti žemos temperatūros šalto rezervuaras ir pats variklis, kuris paprastai yra dujos, kurios plečiasi, kai naudojama šiluma.

Variklis sugeria šilumą iš karšto rezervuaro ir išsiplečia, ir šis išplėtimo procesas veikia aplinką, paprastai su stūmokliu įgaunamas į naudingą formą. Tada sistema išleidžia šilumos energiją atgal į šalto rezervuarą ir grįžta į pradinę būseną. Tada procesas kartojasi vis iš naujo cikliškai, kad nuolat būtų sukurtas naudingas darbas.

Termodinaminiai ciklai arba variklio ciklai yra bendras būdas apibūdinti daugelį specifinių termodinaminių sistemų, kurios veikia cikliniu būdu, būdingą daugumai šilumos variklių. Paprasčiausias šiluminio variklio, veikiančio su termodinaminiais ciklais, pavyzdys yra „Carnot“ variklis arba variklis, veikiantis pagal „Carnot“ ciklą. Tai idealizuota šilumos variklio forma, apimanti tik grįžtamuosius procesus, ypač adiabatinį ir izoterminį suspaudimą ir išplėtimą.

Visi vidaus degimo varikliai veikia Otto ciklu, kuris yra dar viena termodinaminio ciklo rūšis, kuriai naudojant degalus naudojamas darbas prie stūmoklio. Pirmajame etape stūmoklis nukrinta, kad į variklį patektų kuro ir oro mišinys, kuris antrame etape adiabatiškai suspaudžiamas, o trečiame - uždegamas.

Prieš atsidarant išmetimo vožtuvui, greitai padidėja temperatūra ir slėgis, dėl kurio stūmoklis išsiplėtė adiabatiškai. Dėl to sumažėja slėgis. Galiausiai stūmoklis kyla, kad išvalytų išeikvotas dujas ir užbaigtų variklio ciklą.

Kita šiluminių variklių rūšis yra „Stirling“ variklis, kuriame yra fiksuotas dujų kiekis, judantis tarp dviejų skirtingų cilindrų skirtingais proceso etapais. Pirmasis etapas apima dujų kaitinimą, kad pakiltų temperatūra ir susidarytų aukštas slėgis, kuris stumdo stūmoklį, kad būtų naudingas darbas.

Tada stūmoklis pakyla atgal ir stumia dujas į antrą cilindrą, kur jas atvėsina šaltis prieš pakartotinai suspausdami, reikalaujant mažiau darbo, nei buvo pagaminta ankstesniame etapas. Galiausiai dujos vėl perkeliamos į pradinę kamerą, kur pasikartoja Stirlingo variklio ciklas.

Šiluminio variklio efektyvumas yra naudingo darbo ir suvartojamos šilumos ar šiluminės energijos santykis rezultatas visada yra vertė nuo 0 iki 1, be vienetų, nes matuojama ir šilumos energija, ir darbo našumas džauliai. Tai reiškia, kad jei turėtumėte apuikusšilumos variklis, jo efektyvumas būtų 1, o visa šilumos energija būtų paversta tinkamu naudoti ir jei pavyktų konvertuoti pusę jo, efektyvumas būtų 0,5. Pagrindine forma formulė gali būti parašyta:

Žinoma, neįmanoma, kad šilumos variklio efektyvumas būtų 1, nes antrasis termodinamikos dėsnis nurodo, kad laikui bėgant bet kuri uždara sistema padidins entropiją. Nors yra tikslus matematinis entropijos apibrėžimas, kurį galite naudoti, kad suprastumėte tai, paprasčiausias būdas pagalvokite, kad būdingas bet kurio proceso neefektyvumas lemia tam tikrą energijos praradimą, paprastai atliekų pavidalu šilumos. Pavyzdžiui, variklio stūmoklis neabejotinai turės tam tikrą trintį, veikiantį prieš jo judėjimą, o tai reiškia, kad šilumą paverčiant darbu, sistema neteks energijos.

Teorinis maksimalus šilumos variklio efektyvumas vadinamas Carnot efektyvumu. To lygtis susieja karšto rezervuaro temperatūrąT​_H ir šalto rezervuaroT​_C efektyvumui (η) variklio.

Rezultatą galite padauginti iš 100, jei norite atsakymą išreikšti procentais. Svarbu prisiminti, kad tai yrateorinismaksimaliai - mažai tikėtina, kad realiame pasaulyje variklis iš tikrųjų priartės prie Carnot efektyvumo.

Svarbu atkreipti dėmesį į tai, kad maksimaliai padidinsite šiluminių variklių efektyvumą, padidindami temperatūros skirtumą tarp karšto rezervuaro ir šalto rezervuaro. Automobilių varikliuiT​_H yra degimo metu variklio viduje esančių dujų temperatūra, irT​_C yra temperatūra, kai jie išstumiami iš variklio.

Garo variklis ir garo turbinos yra du žinomiausi šilumos variklio pavyzdžiai ir garo variklio išradimas buvo svarbus istorinis įvykis industrializuojant visuomenės. Garų variklis veikia labai panašiai kaip ir kiti iki šiol aptarti šilumos varikliai: katilas paverčia vandenį į garą, kuris siunčiamas į cilindrą, kuriame yra stūmoklis, o aukštas garų slėgis juda cilindras.

Garai perduoda dalį šiluminės energijos į cilindrą, proceso metu tampa vėsesni, o kai stūmoklis bus visiškai išstumtas, likę garai išleidžiami iš cilindro. Šiuo metu stūmoklis grįžta į pradinę padėtį (kartais garai nukreipiami aplink kitą stūmoklio šoną, kad jis taip pat galėtų jį nustumti atgal), o termodinaminis ciklas vėl prasideda iš naujo su garais.

Šis palyginti paprastas dizainas leidžia pagaminti daug naudingo darbo iš bet ko, kas gali užvirinti vandenį. Tokios konstrukcijos šilumos variklio efektyvumas priklauso nuo garo ir aplinkinio oro temperatūros skirtumo. Garvežys naudoja šį procesą sukūrus ratams sukti ir traukiniui varyti.

Garų turbina veikia labai panašiai, išskyrus tai, kad darbas nukreipiamas į turbinos sukimą, o ne stūmoklio judėjimą. Tai ypač naudingas būdas gaminti elektrą dėl garų sukamo sukimosi judesio.

Vidaus degimo variklis veikia remdamasis aukščiau aprašytu Otto ciklu - kibirkštinis uždegimas naudojamas benzininiams varikliams, o slėginis - dyzeliniams varikliams. Pagrindinis skirtumas tarp jų yra degimo ir oro mišinio uždegimo būdas, suslėgiant degalų ir oro mišinį ir tada fiziškai užsiliepsnojo benzininiuose varikliuose, o į dyzelinių variklių suslėgtą orą purškiami degalai, temperatūra.

Be to, likęs „Otto“ ciklas užbaigiamas taip, kaip aprašyta anksčiau: Kuras į variklį (arba tiesiog orą dyzelinas), suspaustas, uždegtas (kibirkštimi kurui ir purškiant degalus į karštą suspaustą orą dyzelinui), kuris atlieka naudingą darbą adiabatiniu išsiplėtimu, tada atidaromas išmetimo vožtuvas, kad sumažėtų slėgis, ir stūmoklis išstumia panaudotos dujos.

Šilumos siurbliai, oro kondicionieriai ir šaldytuvai taip pat veikia pagal tam tikrą šilumos ciklą, nors jie turi skirtingą tikslą naudoti darbą šilumos energijai judėti, o ne atvirkščiai. Pvz., Šilumos siurblio šildymo cikle šaltnešis sugeria šilumą iš lauko oro dėl žemesnės temperatūros (nes šilumavisadateka nuo karšto iki šalto), o tada perstumiamas per kompresorių, kad padidėtų jo slėgis, taigi ir temperatūra.

Tada šis karštesnis oras perkeliamas į kondensatorių, šalia šildomo kambario, kur tas pats procesas perduoda šilumą į kambarį. Galiausiai šaltnešis perkeliamas į vožtuvą, kuris sumažina slėgį, taigi ir temperatūrą, ir yra paruoštas kitam šildymo ciklui.

Vėsinimo cikle (kaip oro kondicionavimo įrenginyje ar šaldytuve) procesas iš esmės vyksta atvirkščiai. Šaltnešis sugeria šilumos energiją iš kambario (arba šaldytuvo viduje), nes jis laikomas a šalta temperatūra, o tada ji stumiama per kompresorių, kad padidėtų slėgis ir temperatūra.

Šiuo metu jis juda kambario išorėje (arba šaldytuvo gale), kur šilumos energija perduodama į vėsesnį išorinį orą (arba aplinkinį kambarį). Tada aušinimo medžiaga siunčiama per vožtuvą, kad sumažėtų slėgis ir temperatūra, skaitant kitą šildymo ciklą.

Kadangi šių procesų tikslas yra priešingas variklio pavyzdžiams, šilumos siurblio ar šaldytuvo efektyvumo išraiška taip pat skiriasi. Tačiau tai yra gana nuspėjama forma. Šildymui:

Ir aušinimui:

KurKlausimasterminai yra šilumos energija, perkelta į kambarį (su H indeksu) ir iš jos (su C indeksu) irW​_į yra darbo įvestis į sistemą elektros pavidalu. Vėlgi, ši vertė yra bevielis skaičius nuo 0 iki 1, tačiau galite padauginti rezultatą iš 100 ir gauti procentą, jei norite.

Elektrinės ar elektrinės iš tikrųjų yra tik dar viena šiluminių variklių forma, nesvarbu, ar jos šilumą kuria naudodamos branduolinį reaktorių, ar degindamos kurą. Šilumos šaltinis naudojamas turbinoms judinti ir mechaniniam darbui atlikti. Dažnai garo turbinai sukti naudojamas pašildyto vandens garas, kuris gamina elektrą aukščiau aprašytu būdu. Tikslus šilumos ciklas gali skirtis tarp elektrinių, tačiau dažniausiai naudojamas „Rankine“ ciklas.

„Rankine“ ciklas prasideda tuo, kad šilumos šaltinis pakelia vandens temperatūrą, tada išsiplečia vandens garai a turbina, o po to kondensatorius kondensatoriuje (išskiriant atliekų šilumą procese), prieš atvėsusį vandenį siurblys. Siurblys padidina vandens slėgį ir paruošia jį toliau šildyti.