Siltuma dzinējs: definīcija, veidi un piemēri

Apkārt jums ir siltuma dzinēji. Sākot no automašīnas, ar kuru braucat, līdz ledusskapim, kas uztur ēdienu vēsā stāvoklī, līdz mājas apkures un dzesēšanas sistēmām, tie visi darbojas, pamatojoties uz vieniem un tiem pašiem galvenajiem principiem.

Jebkura siltuma dzinēja mērķis ir pārveidot siltumenerģiju noderīgā darbā, un to var izmantot daudz dažādu pieeju. Viena no vienkāršākajām siltuma dzinēju formām ir Carnot dzinējs, kas nosaukts franču fiziķa Nikolā vārdā Leonards Sadijs Karnots, kas veidots ap idealizētu četrpakāpju procesu, kas atkarīgs no adiabātiskā un izotermiskā posmos.

Bet Carnot dzinējs ir tikai viens siltuma dzinēja piemērs, un daudzi citi veidi sasniedz to pašu pamatmērķi. Mācīties par to, kā darbojas siltuma dzinēji un kā darīt, piemēram, aprēķināt siltuma dzinēja efektivitāti, ir svarīgi ikvienam, kurš studē termodinamiku.

Siltuma dzinējs ir termodinamiska sistēma, kas siltuma enerģiju pārvērš mehāniskajā enerģijā. Lai gan šajā vispārīgajā kategorijā ietilpst daudzi dažādi modeļi, gandrīz visos siltuma dzinējos ir atrodami vairāki pamatkomponenti.

Jebkuram siltuma dzinējam ir nepieciešama siltuma vanna vai augstas temperatūras siltuma avots, kam var būt dažādas formas (piemēram, kodolreaktors ir kodolspēkstacijas siltuma avots, bet daudzos gadījumos par siltumu tiek izmantota degoša degviela avots). Turklāt jābūt zemas temperatūras aukstuma rezervuāram, kā arī pašam motoram, kas parasti ir gāze, kas izplešas, kad tiek uzlikts siltums.

Motors absorbē siltumu no karstā rezervuāra un izplešas, un šis paplašināšanas process ir tas, kas darbojas apkārtējā vidē, parasti ar virzuli izmantojot izmantojamu formu. Pēc tam sistēma atbrīvo siltumenerģiju atpakaļ aukstuma rezervuārā un atgriežas sākotnējā stāvoklī. Pēc tam process atkārtojas atkārtoti cikliskā veidā, lai nepārtraukti radītu noderīgu darbu.

Termodinamiskie cikli vai motora cikli ir vispārējs veids, kā aprakstīt daudzas specifiskas termodinamiskās sistēmas, kas darbojas cikliskā veidā, kas raksturīgs lielākajai daļai siltuma dzinēju. Vienkāršākais siltuma dzinēja, kas strādā ar termodinamiskiem cikliem, piemērs ir Carnot dzinējs vai motors, kas darbojas, pamatojoties uz Carnot ciklu. Šī ir idealizēta siltuma dzinēja forma, kas ietver tikai atgriezeniskus procesus, jo īpaši adiabātisko un izotermisko saspiešanu un izplešanos.

Visi iekšdedzes dzinēji darbojas ar Otto ciklu, kas ir vēl viens termodinamiskā cikla veids, kas izmanto degvielas aizdedzi, lai veiktu darbu pie virzuļa. Pirmajā posmā virzulis nokrīt, lai dzinējā ievilktu degvielas un gaisa maisījumu, kas pēc tam otrajā posmā adiabātiski tiek saspiests un trešajā aizdedzināts.

Pirms izplūdes vārsta atvēršanās strauji palielinās temperatūra un spiediens, kas darbojas ar virzuli, adiabātiski izplešoties, kā rezultātā samazinās spiediens. Visbeidzot, virzulis paceļas, lai iztukšotu iztukšotās gāzes un pabeigtu motora ciklu.

Cits siltuma dzinēju veids ir Stirling dzinējs, kas satur noteiktu daudzumu gāzes, kas dažādos procesa posmos pārvietojas starp diviem dažādiem cilindriem. Pirmais posms ietver gāzes sildīšanu, lai paaugstinātu temperatūru un radītu augstu spiedienu, kas pārvieto virzuli, lai nodrošinātu noderīgu darbu.

Pēc tam virzulis paceļas atpakaļ uz augšu un iestumj gāzi otrajā cilindrā, kur to atdzesē aukstums pirms atkārtotas saspiešanas, šim procesam nepieciešams mazāk darba nekā tika ražots iepriekšējā posmā. Visbeidzot, gāze tiek pārvietota atpakaļ sākotnējā kamerā, kur atkārtojas Stērlinga motora cikls.

Siltuma dzinēja efektivitāte ir lietderīgā darba un siltuma vai siltumenerģijas patēriņa attiecība un rezultāts vienmēr ir vērtība starp 0 un 1 bez vienībām, jo ​​tiek mērīta gan siltumenerģija, gan darba jauda džoulus. Tas nozīmē, ka, ja jums būtuideāls- siltuma dzinējs, tā efektivitāte būtu 1 un visa siltuma enerģija pārvērstos par izmantojamu darbu, un ja izdotos pārveidot pusi no tā, efektivitāte būtu 0,5. Pamata formā formula var būt rakstīts:

Protams, siltuma dzinēja efektivitāte ir 1, jo otrais termodinamikas likums nosaka, ka jebkura slēgta sistēma ar laiku palielinās entropiju. Lai gan ir precīza matemātiska entropijas definīcija, kuru varat izmantot, lai to saprastu, vienkāršākais veids, kā to izdarīt domājiet par to, ka jebkura procesa raksturīgā neefektivitāte rada zināmu enerģijas zudumu, parasti atkritumu veidā karstums. Piemēram, motora virzulim neapšaubāmi ir kāda berze, kas darbojas pret tā kustību, kas nozīmē, ka siltuma pārvēršanas darbā sistēma zaudēs enerģiju.

Siltuma dzinēja teorētisko maksimālo efektivitāti sauc par Karota efektivitāti. Vienādojums tam attiecas uz karstā rezervuāra temperatūruT​_H un aukstā ūdenskrātuveT​_C efektivitātei (η) motora.

Rezultātu var reizināt ar 100, ja vēlaties atbildi izteikt procentos. Ir svarīgi atcerēties, ka tas irteorētiskimaksimāli - maz ticams, ka kāds reālās pasaules motors praksē patiešām tuvosies Karnot efektivitātei.

Svarīgi atzīmēt, ka jūs maksimizējat siltuma dzinēju efektivitāti, palielinot temperatūras starpību starp karsto rezervuāru un auksto rezervuāru. Automobiļu motoramT​_H ir degšanas laikā motora iekšpusē esošo gāzu temperatūra, unT​_C ir temperatūra, kurā tie tiek izstumti no motora.

Tvaika dzinējs un tvaika turbīnas ir divi no pazīstamākajiem siltuma dzinēja piemēriem un tvaika dzinēja izgudrošana bija nozīmīgs vēsturisks notikums Austrālijā sabiedrībā. Tvaika dzinējs darbojas ļoti līdzīgi kā citi līdz šim apspriestie siltuma dzinēji: katls pārvērš ūdeni tvaikos, kas tiek ievadīts cilindrā ar virzuli, un tvaika augsts spiediens pārvieto cilindrs.

Tvaiks daļu siltumenerģijas pārnes uz cilindru, procesā kļūstot vēsākam, un tad, kad virzulis ir pilnībā izstumts, atlikušais tvaiks tiek izvadīts no cilindra. Šajā brīdī virzulis atgriežas sākotnējā stāvoklī (dažreiz tvaiks tiek virzīts apkārt otram virzuļa pusē, lai arī tas varētu to atgrūst), un termodinamiskais cikls sākas no jauna ar lielāku tvaika daudzumu.

Šis salīdzinoši vienkāršais dizains ļauj izgatavot lielu daudzumu noderīga darba no visa, kas spēj vārīties ūdeni. Siltuma dzinēja efektivitāte ar šo konstrukciju ir atkarīga no tvaika un apkārtējā gaisa temperatūras starpības. Tvaika lokomotīve izmanto šajā procesā radīto darbu, lai pagrieztu riteņus un virzītu vilcienu.

Tvaika turbīna darbojas ļoti līdzīgi, izņemot to, ka darbs virzās uz turbīnas pagriešanu, nevis virzuļa virzīšanu. Tas ir īpaši noderīgs veids, kā radīt elektrību tvaika radītās rotācijas kustības dēļ.

Iekšdedzes dzinējs darbojas, balstoties uz iepriekš aprakstīto Oto ciklu, ar dzirksteļaizdedzi, ko izmanto benzīna motoriem, un kompresijas aizdedzi, ko izmanto dīzeļdzinējiem. Galvenā atšķirība starp tām ir degvielas un gaisa maisījuma aizdedzināšanas veids, saspiežot un pēc tam degvielas un gaisa maisījumu fiziski aizdegas benzīna motoros un degviela tiek izsmidzināta saspiestā gaisā dīzeļdzinējos, liekot tai aizdegties no temperatūra.

Bez tam, pārējais Otto cikls tiek pabeigts, kā aprakstīts iepriekš: Degviela tiek iesūknēta motorā (vai tikai dīzeļdegviela), saspiests, aizdedzināts (ar dzirksteli degvielai un degvielas izsmidzināšanu karstā, saspiesta gaisa dīzeļdegvielai), kas veic izmantojamu darbu adiabātiski izplešoties, un pēc tam atveras izplūdes vārsts, lai samazinātu spiedienu, un virzulis izspiež izlietotā gāze.

Siltumsūkņi, gaisa kondicionieri un ledusskapji arī strādā pie sava veida siltuma cikla, lai gan tiem ir atšķirīgs mērķis izmantot darbu, lai pārvietotu siltumenerģiju, nevis otrādi. Piemēram, siltumsūkņa sildīšanas ciklā dzesētājs absorbē siltumu no ārējā gaisa zemākas temperatūras dēļ (jovienmērplūst no karsta līdz aukstam), un pēc tam tiek virzīts caur kompresoru, lai paaugstinātu tā spiedienu un līdz ar to arī temperatūru.

Pēc tam šis karstākais gaiss tiek pārvietots uz kondensatoru, netālu no apsildāmās telpas, kur tas pats process pārnes siltumu telpā. Visbeidzot, dzesēšanas šķidrums tiek pārvietots caur vārstu, kas pazemina spiedienu un līdz ar to arī temperatūru, gatavs citam sildīšanas ciklam.

Dzesēšanas ciklā (tāpat kā gaisa kondicionēšanas iekārtā vai ledusskapī) process būtībā notiek pretēji. Dzesēšanas šķidrums absorbē siltuma enerģiju no istabas (vai ledusskapja iekšpuses), jo to tur a auksta temperatūra, un pēc tam to izspiež caur kompresoru, lai palielinātu spiedienu un temperatūra.

Šajā brīdī tas pārvietojas uz istabas ārpusi (vai ledusskapja aizmugurē), kur siltuma enerģija tiek pārnesta uz vēsāku ārējo gaisu (vai apkārtējo telpu). Pēc tam dzesēšanas šķidrums tiek nosūtīts caur vārstu, lai pazeminātu spiedienu un temperatūru, nolasot vēl vienu sildīšanas ciklu.

Tā kā šo procesu mērķis ir pretējs dzinēja piemēriem, arī siltumsūkņa vai ledusskapja efektivitātes izteiksme ir atšķirīga. Pēc formas tas tomēr ir diezgan paredzams. Apkurei:

Un dzesēšanai:

KurJtermini attiecas uz siltumenerģiju, kas pārvietota telpā (ar H indeksu) un pārvietota no tās (ar C indeksu) unW​_iekšā ir darba ieguldījums sistēmā elektroenerģijas veidā. Arī šī vērtība ir skaitlis bez dimensijām no 0 līdz 1, taču jūs varat reizināt rezultātu ar 100, lai iegūtu procentus, ja vēlaties.

Elektrostacijas vai elektrostacijas patiesībā ir tikai vēl viens siltuma dzinēju veids, neatkarīgi no tā, vai tās rada siltumu, izmantojot kodolreaktoru, vai sadedzinot degvielu. Siltuma avotu izmanto, lai pārvietotu turbīnas un tādējādi veiktu mehāniskus darbus, bieži izmantojot tvaiku no apsildāma ūdens, lai vērptu tvaika turbīnu, kas ģenerē elektrību iepriekš aprakstītajā veidā. Precīzs izmantotais siltuma cikls dažādās elektrostacijās var atšķirties, taču parasti tiek izmantots Rankine cikls.

Rankine cikls sākas ar siltuma avotu, kas paaugstina ūdens temperatūru, pēc tam ūdens tvaiku izplešanās a turbīna, kam seko kondensācija kondensatorā (izdalot izlietoto siltumu procesā), pirms atdzesētais ūdens nonāk sūknis. Sūknis palielina ūdens spiedienu un sagatavo to tālākai sildīšanai.