Prevádzku mnohých typov strojov charakterizuje taký dôležitý ukazovateľ, akým je účinnosť tepelného motora. Každý rok sa inžinieri snažia vytvoriť pokročilejšie vybavenie, ktoré by pri nižších nákladoch na palivo prinieslo maximálny výsledok pri jeho používaní.
Zariadenie tepelného motora
Predtým, ako pochopíme, čo je efektívnosť, je potrebné pochopiť, ako tento mechanizmus funguje. Bez znalosti princípov jeho pôsobenia nie je možné zistiť podstatu tohto ukazovateľa. Tepelný motor je zariadenie, ktoré pracuje s využitím vnútornej energie. Každý tepelný stroj, ktorý premieňa tepelnú energiu na mechanickú, využíva tepelnú rozťažnosť látok so zvyšujúcou sa teplotou. V polovodičových motoroch je možné meniť nielen objem hmoty, ale aj tvar tela. Prevádzka takéhoto motora podlieha zákonom termodynamiky.
Princíp fungovania
Aby sme pochopili, ako tepelný motor funguje, je potrebné zvážiť základyjeho návrhy. Na prevádzku zariadenia sú potrebné dve telesá: horúce (ohrievač) a studené (chladnička, chladič). Princíp činnosti tepelných strojov (účinnosť tepelných strojov) závisí od ich typu. Kondenzátor pary často funguje ako chladnička a akýkoľvek druh paliva, ktoré spaľuje v peci, funguje ako ohrievač. Účinnosť ideálneho tepelného motora sa zistí podľa nasledujúceho vzorca:
Účinnosť=(Theating - Cooling)/ Theating. x 100 %.
Účinnosť skutočného motora zároveň nikdy nemôže prekročiť hodnotu získanú podľa tohto vzorca. Tento ukazovateľ tiež nikdy neprekročí vyššie uvedenú hodnotu. Pre zvýšenie účinnosti najčastejšie zvýšte teplotu ohrievača a znížte teplotu chladničky. Oba tieto procesy budú obmedzené skutočnými prevádzkovými podmienkami zariadenia.
Účinnosť tepelného motora (vzorec)
Počas prevádzky tepelného motora sa pracuje, pretože plyn začína strácať energiu a ochladzuje sa na určitú teplotu. Tá je zvyčajne niekoľko stupňov nad okolitou atmosférou. Toto je teplota chladničky. Takéto špeciálne zariadenie je určené na chladenie s následnou kondenzáciou výfukovej pary. Ak sú prítomné kondenzátory, teplota chladničky je niekedy nižšia ako teplota okolia.
V tepelnom motore telo, keď sa zahrieva a expanduje, nie je schopné dať všetku svoju vnútornú energiu na prácu. Časť tepla sa prenesie do chladničky spolu s výfukovými plynmi alebo parou. Táto časťtepelná vnútorná energia sa nevyhnutne stráca. Počas spaľovania paliva prijíma pracovné telo určité množstvo tepla Q1 z ohrievača. Zároveň stále vykonáva prácu A, počas ktorej odovzdá časť tepelnej energie chladničke: Q2<Q1.
EFFICIENCY charakterizuje účinnosť motora v oblasti premeny energie a prenosu. Tento ukazovateľ sa často meria v percentách. Vzorec účinnosti:
ηA/Qx100 %, kde Q je vynaložená energia, A je užitočná práca.
Na základe zákona zachovania energie môžeme dospieť k záveru, že účinnosť bude vždy menšia ako jedna. Inými slovami, nikdy nebude užitočnejšia práca, ako je energia na ňu vynaložená.
Účinnosť motora je pomer užitočnej práce k energii dodávanej ohrievačom. Môže byť vyjadrený nasledujúcim vzorcom:
η=(Q1-Q2)/ Q1, kde Q 1 – teplo prijaté z ohrievača a Q2 – odovzdané do chladničky.
Prevádzka tepelného motora
Práca vykonaná tepelným motorom sa vypočíta podľa nasledujúceho vzorca:
A=|QH| - |QX|, kde A je práca, QH je množstvo tepla prijatého z ohrievača, QX – množstvo tepla odovzdaného chladiču.
Účinnosť tepelného motora (vzorec):
|QH| - |QX|)/|QH|=1 - |QX|/|QH|
Rovná sa pomeru práce vykonanej motorom k množstvuteplo. Časť tepelnej energie sa pri tomto prenose stratí.
Carnot engine
Maximálna účinnosť tepelného motora je zaznamenaná na zariadení Carnot. Je to spôsobené tým, že v tomto systéme závisí iba od absolútnej teploty ohrievača (Тн) a chladiča (Тх). Účinnosť tepelného motora pracujúceho podľa Carnotovho cyklu je určená nasledujúcim vzorcom:
(Тн - Тх)/ Тн=- Тх - Тн.
Zákony termodynamiky nám umožnili vypočítať maximálnu účinnosť, ktorá je možná. Prvýkrát tento ukazovateľ vypočítal francúzsky vedec a inžinier Sadi Carnot. Vynašiel tepelný motor, ktorý bežal na ideálny plyn. Funguje na cykle 2 izoterm a 2 adiabatov. Princíp jeho činnosti je pomerne jednoduchý: kontakt ohrievača sa privedie do nádoby s plynom, v dôsledku čoho sa pracovná tekutina izotermicky rozťahuje. Zároveň funguje a prijíma určité množstvo tepla. Potom, čo je nádoba tepelne izolovaná. Napriek tomu plyn pokračuje v expanzii, ale už adiabaticky (bez výmeny tepla s okolím). V tomto čase jeho teplota klesne na chladničku. V tomto momente je plyn v kontakte s chladničkou, v dôsledku čoho jej pri izometrickej kompresii dodáva určité množstvo tepla. Potom sa nádoba opäť tepelne izoluje. V tomto prípade je plyn stlačený adiabaticky na svoj pôvodný objem a stav.
Odrody
V našej dobe existuje veľa typov tepelných motorov, ktoré fungujú na rôznych princípoch a na rôzne palivá. Všetky majú svoju vlastnú efektivitu. Tie obsahujúnasledujúce:
• Spaľovací motor (piest), čo je mechanizmus, pri ktorom sa časť chemickej energie horiaceho paliva premieňa na mechanickú energiu. Takéto zariadenia môžu byť plynné a kvapalné. Existujú 2-taktné a 4-taktné motory. Môžu mať nepretržitý pracovný cyklus. Podľa spôsobu prípravy zmesi paliva sú tieto motory karburátorové (s vonkajšou tvorbou zmesi) a dieselové (s vnútorným). Podľa typov meniča energie sa delia na piestové, prúdové, turbínové, kombinované. Účinnosť takýchto strojov nepresahuje 0,5.
• Stirlingov motor – zariadenie, v ktorom je pracovná tekutina v uzavretom priestore. Ide o druh motora s vonkajším spaľovaním. Princíp jeho fungovania je založený na periodickom ochladzovaní/ohrievaní tela s produkciou energie v dôsledku zmeny jeho objemu. Je to jeden z najefektívnejších motorov.
• Turbínový (rotačný) motor s vonkajším spaľovaním paliva. Takéto inštalácie sa najčastejšie nachádzajú v tepelných elektrárňach.
• Turbínový (rotačný) ICE sa používa v tepelných elektrárňach v špičkovom režime. Nie také bežné ako iné.
• Turbovrtuľový motor vytvára časť ťahu vďaka vrtuli. Zvyšok pochádza z výfukových plynov. Jeho konštrukcia je rotačný motor (plynová turbína), na hriadeli ktorého je namontovaná vrtuľa.
Iné typy tepelných motorov
• Raketové, prúdové a prúdové motory, ktoré získavajú ťah vďaka spätnému rázuvýfukové plyny.
• Motory v pevnej fáze využívajú ako palivo tuhé látky. Pri práci sa totiž nemení jeho objem, ale tvar. Prevádzka zariadenia využíva extrémne nízky teplotný rozdiel.
Ako zlepšiť efektivitu
Je možné zvýšiť účinnosť tepelného motora? Odpoveď treba hľadať v termodynamike. Študuje vzájomné premeny rôznych druhov energie. Zistilo sa, že nie je možné premeniť všetku dostupnú tepelnú energiu na elektrickú, mechanickú atď. Zároveň ich premena na tepelnú energiu prebieha bez akýchkoľvek obmedzení. Je to možné vďaka skutočnosti, že povaha tepelnej energie je založená na neusporiadanom (chaotickom) pohybe častíc.
Čím viac sa telo zahrieva, tým rýchlejšie sa budú pohybovať molekuly, ktoré ho tvoria. Pohyb častíc bude ešte nepravidelnejší. Okrem toho každý vie, že poriadok sa dá ľahko zmeniť na chaos, ktorý je veľmi ťažké objednať.
