يتميز تشغيل العديد من أنواع الآلات بمؤشر مهم مثل كفاءة المحرك الحراري. في كل عام ، يسعى المهندسون جاهدين لإنشاء معدات أكثر تقدمًا ، وبتكاليف وقود أقل ، ستعطي أقصى نتيجة من استخدامها.
جهاز المحرك الحراري
قبل فهم ماهية الكفاءة ، من الضروري فهم كيفية عمل هذه الآلية. بدون معرفة مبادئ عملها ، من المستحيل معرفة جوهر هذا المؤشر. المحرك الحراري هو جهاز يعمل باستخدام الطاقة الداخلية. يستخدم أي محرك حراري يحول الطاقة الحرارية إلى طاقة ميكانيكية التمدد الحراري للمواد مع زيادة درجة الحرارة. في المحركات ذات الحالة الصلبة ، من الممكن ليس فقط تغيير حجم المادة ، ولكن أيضًا في شكل الجسم. تشغيل مثل هذا المحرك يخضع لقوانين الديناميكا الحرارية.
مبدأ التشغيل
لفهم كيفية عمل المحرك الحراري ، من الضروري مراعاة الأساسياتتصميماته. لتشغيل الجهاز يحتاج جسمان: ساخن (سخان) وبارد (ثلاجة ، مبرد). يعتمد مبدأ تشغيل المحركات الحرارية (كفاءة المحركات الحرارية) على نوعها. غالبًا ما يعمل مكثف البخار كثلاجة ، وأي نوع من الوقود يحترق في الفرن يعمل كمدفأة. يتم العثور على كفاءة المحرك الحراري المثالي من خلال الصيغة التالية:
الكفاءة=(التبريد - التبريد) / الضرب. × 100٪.
في الوقت نفسه ، لا يمكن أبدًا أن تتجاوز كفاءة المحرك الحقيقي القيمة التي تم الحصول عليها وفقًا لهذه الصيغة. أيضًا ، لن يتجاوز هذا المؤشر القيمة أعلاه أبدًا. لزيادة الكفاءة ، غالبًا ما تزيد درجة حرارة السخان وتقليل درجة حرارة الثلاجة. كلتا العمليتين ستكون محدودة بظروف التشغيل الفعلية للمعدات.
كفاءة المحرك الحراري (الصيغة)
أثناء تشغيل المحرك الحراري ، يتم العمل ، حيث يبدأ الغاز في فقد الطاقة ويبرد إلى درجة حرارة معينة. هذا الأخير عادة ما يكون بضع درجات فوق الغلاف الجوي المحيط. هذه هي درجة حرارة الثلاجة. تم تصميم هذا الجهاز الخاص للتبريد مع التكثيف اللاحق لبخار العادم. في حالة وجود مكثفات ، تكون درجة حرارة الثلاجة في بعض الأحيان أقل من درجة الحرارة المحيطة.
في المحرك الحراري ، عندما يتم تسخين الجسم وتمدده ، لا يستطيع إعطاء كل طاقته الداخلية للقيام بالعمل. سيتم نقل بعض الحرارة إلى الثلاجة مع غازات العادم أو البخار. هذا الجزءالطاقة الحرارية الداخلية تضيع حتما. أثناء احتراق الوقود ، يتلقى جسم العمل قدرًا معينًا من الحرارة Q1من السخان. في الوقت نفسه ، لا يزال يعمل A ، والذي ينقل خلاله جزءًا من الطاقة الحرارية إلى الثلاجة: Q2<Q1.
الكفاءة تميز كفاءة المحرك في مجال تحويل الطاقة ونقلها. غالبًا ما يتم قياس هذا المؤشر كنسبة مئوية. صيغة الكفاءة:
ηA / Qx100٪ حيث Q هي الطاقة المستهلكة و A العمل المفيد
بناءً على قانون الحفاظ على الطاقة ، يمكننا أن نستنتج أن الكفاءة ستكون دائمًا أقل من واحد. بمعنى آخر ، لن يكون هناك عمل أكثر فائدة من الطاقة التي يتم إنفاقها عليه.
كفاءة المحرك هي نسبة العمل المفيد إلى الطاقة التي يوفرها السخان. يمكن تمثيلها بالصيغة التالية:
η=(Q1-Q2) / Q1، حيث Q1- الحرارة الواردة من السخان ، و Q2- تعطى للثلاجة.
تشغيل المحرك الحراري
يتم حساب العمل الذي يقوم به المحرك الحراري باستخدام الصيغة التالية:
A=| QH| - | QX| ، حيث A هو العمل ، QHهو مقدار الحرارة المتلقاة من السخان ، QX- مقدار الحرارة المعطى للمبرد.
كفاءة المحرك الحراري (الصيغة):
| QH| - | QX|) / | QH|=1 - | QX| / | QH|
إنها تساوي نسبة الشغل الذي يقوم به المحرك إلى مقدارالدفء. يُفقد جزء من الطاقة الحرارية أثناء هذا النقل.
محرك كارنو
يتم ملاحظة أقصى قدر من الكفاءة للمحرك الحراري في جهاز Carnot. هذا يرجع إلى حقيقة أنه في هذا النظام يعتمد فقط على درجة الحرارة المطلقة للسخان (н) والمبرد (Тх). يتم تحديد كفاءة المحرك الحراري الذي يعمل وفقًا لدورة كارنو بالصيغة التالية:
(Тн - Тх) / н=- - Тн.
سمحت لنا قوانين الديناميكا الحرارية بحساب أقصى قدر ممكن من الكفاءة. لأول مرة تم حساب هذا المؤشر من قبل العالم والمهندس الفرنسي سعدي كارنو. اخترع محركًا حراريًا يعمل بالغاز المثالي. يعمل على دورة من 2 متساوي الحرارة و 2 adiabats. مبدأ عملها بسيط للغاية: يتم إحضار اتصال السخان إلى الوعاء بالغاز ، ونتيجة لذلك يتمدد مائع العمل بشكل متساوي الحرارة. في الوقت نفسه ، يعمل ويتلقى قدرًا معينًا من الحرارة. بعد أن يتم عزل الوعاء حرارياً. على الرغم من ذلك ، يستمر الغاز في التوسع ، ولكن بشكل ثابت (بدون التبادل الحراري مع البيئة). في هذا الوقت ، تنخفض درجة حرارته إلى الثلاجة. في هذه اللحظة ، يكون الغاز على اتصال بالثلاجة ، ونتيجة لذلك فإنه يمنحه قدرًا معينًا من الحرارة أثناء الضغط متساوي القياس. ثم يتم عزل الوعاء حرارياً مرة أخرى. في هذه الحالة ، يتم ضغط الغاز بشكل ثابت إلى حجمه وحالته الأصلية.
أصناف
في عصرنا ، هناك العديد من أنواع المحركات الحرارية التي تعمل على أسس مختلفة وأنواع مختلفة من الوقود. كلهم لديهم كفاءتهم الخاصة. وتشمل هذهالتالي:
• محرك الاحتراق الداخلي (المكبس) ، وهو آلية يتم فيها تحويل جزء من الطاقة الكيميائية للوقود المحترق إلى طاقة ميكانيكية. يمكن أن تكون هذه الأجهزة غازية وسائل. هناك محركات ثنائية الشوط و 4 أشواط. قد يكون لديهم دورة عمل مستمرة. وفقًا لطريقة تحضير خليط الوقود ، فإن هذه المحركات عبارة عن مكربن (مع تكوين خليط خارجي) وديزل (داخلي). وفقًا لأنواع محولات الطاقة ، يتم تقسيمها إلى مكبس ، نفاث ، توربين ، مجتمعة. كفاءة هذه الآلات لا تتجاوز 0.5
• محرك ستيرلنغ - جهاز يكون فيه سائل العمل في مكان مغلق. إنه نوع من محركات الاحتراق الخارجي. يعتمد مبدأ عملها على التبريد / التسخين الدوري للجسم مع إنتاج الطاقة بسبب التغيير في حجمه. إنه من أكثر المحركات كفاءة.
• محرك توربيني (دوار) باحتراق خارجي للوقود. غالبًا ما توجد مثل هذه التركيبات في محطات الطاقة الحرارية.
• يستخدم الجليد التوربيني (الدوار) في محطات الطاقة الحرارية في وضع الذروة. ليست شائعة مثل الآخرين.
• محرك توربيني يولد بعض الدفع بسبب المروحة. الباقي يأتي من غازات العادم. تصميمه عبارة عن محرك دوار (توربين غازي) ، يتم تركيب مروحة على محوره.
أنواع أخرى من المحركات الحرارية
• المحركات الصاروخية والتوربينية والنفاثة التي تدفع من الارتدادغازات العادم.
• تستخدم محركات الحالة الصلبة المواد الصلبة كوقود. عند العمل ، لا يتغير حجمه ، بل يتغير شكله. تشغيل الجهاز يستخدم فرق درجات حرارة منخفضة للغاية.
كيفية تحسين الكفاءة
هل يمكن زيادة كفاءة المحرك الحراري؟ يجب البحث عن الإجابة في الديناميكا الحرارية. يدرس التحولات المتبادلة لأنواع مختلفة من الطاقة. لقد ثبت أنه من المستحيل تحويل كل الطاقة الحرارية المتاحة إلى طاقة كهربائية ، ميكانيكية ، إلخ. في نفس الوقت ، يتم تحويلها إلى طاقة حرارية دون أي قيود. هذا ممكن بسبب حقيقة أن طبيعة الطاقة الحرارية تعتمد على الحركة الفوضوية (الفوضوية) للجسيمات.
كلما زاد ارتفاع درجة حرارة الجسم ، زادت سرعة تحرك الجزيئات المكونة له. ستصبح حركة الجسيمات أكثر اضطرابًا. إلى جانب ذلك ، يعلم الجميع أنه يمكن بسهولة تحويل النظام إلى فوضى ، وهو أمر صعب للغاية.
