Varmemotorers rolle i boring. Varmemotorernes rolle i menneskelivet

Det er i øjeblikket umuligt at nævne noget område produktionsaktiviteter person, uanset hvor den bruges termiske installationer. Rumteknologi, metallurgi, værktøjsmaskinebygning, transport, energi, landbrug, kemisk industri, produktion fødevarer- ikke langt fuld liste industrier national økonomi, hvor det er nødvendigt at beslutte videnskabelig og tekniske problemer relateret til varmeinstallationer.

I varmemotorer og termiske installationer omdannes varme til arbejde eller arbejde til varme.

En dampturbine er en varmemotor, hvori potentiel energi dampen bliver til kinetisk og kinetisk til mekanisk rotationsenergi af rotoren. Turbinerotoren er direkte forbundet med arbejdsmaskinens aksel, som kan være en elektrisk generator, en propel osv.

Brugen af ​​varmemotorer i jernbanetransport især store, fordi Med fremkomsten af ​​diesellokomotiver på jernbaner har det været lettere at transportere hovedparten af ​​gods og passagerer i alle retninger. Diesellokomotiver dukkede op på Sovjet jernbaner for mere end et halvt århundrede siden, på initiativ af V.I. Lenin. Dieselmotorer driver diesellokomotivet direkte, og ved hjælp af en elektrisk transmission - generatorer elektrisk strøm og elektriske motorer. På samme aksel med hvert diesellokomotiv er der en jævnstrømsgenerator. Den elektriske strøm, der genereres af generatoren, kommer ind i traktionsmotorerne placeret på diesellokomotivets aksler. Et diesellokomotiv er mere komplekst end et elektrisk lokomotiv og koster mere, men det kræver ikke et kontaktnetværk eller traktionsstationer. Diesellokomotivet kan bruges overalt jernbanespor, og det er dens store fordel. Diesel er en økonomisk motor, som diesellokomotivet har brændstof nok til langt træk. Til at transportere stor og tung last byggede man tunge lastbiler, hvor man i stedet for benzinmotorer mere kraftfulde dieselmotorer dukkede op. De samme motorer fungerer på traktorer, mejetærskere og skibe. Brugen af ​​disse motorer letter i høj grad menneskeligt arbejde. I 1897 foreslog den tyske ingeniør R. Diesel en motor med kompressionstænding, der ikke kun kunne køre på benzin, men også på ethvert andet brændstof: petroleum, olie. Motorerne blev også kaldt dieselmotorer.

Varmemotorernes historie går langt tilbage. For mere end to tusinde år siden, i det 3. århundrede f.Kr. æra byggede den store græske mekaniker og matematiker Archimedes en kanon, der affyrede ved hjælp af damp.

Der er hundreder af millioner af varmemotorer i verden i dag. For eksempel motorer intern forbrænding installeret på biler, skibe, traktorer, motorbåde osv. Iagttagelsen af, at ændringer i kroppens temperatur konstant ledsages af ændringer i deres volumen går tilbage til en fjern oldtid, men definitionen absolut værdi forholdet mellem disse ændringer hører kun til moderne tid. Før termometrenes opfindelse kunne sådanne definitioner naturligvis ikke tænkes, men med termometriens udvikling blev en nøjagtig undersøgelse af denne sammenhæng absolut nødvendig. Desuden var der i slutningen af ​​det sidste 18. århundrede og begyndelsen af ​​det nuværende 19. århundrede en masse forskellige fænomener, som tilskyndede mig til at tage omhyggelige målinger af udvidelsen af ​​legemer på grund af varme; disse var: behovet for at korrigere barometriske aflæsninger ved bestemmelse af højder, bestemmelse af astronomisk brydning, spørgsmålet om elasticiteten af ​​gasser og dampe, den gradvist stigende brug af metaller til videnskabelige instrumenter og tekniske formål mv.

Først og fremmest vendte jeg mig naturligvis til definitionen af ​​luftekspansion, som i sin størrelse var mest slående og virkede lettest målelig. Mange fysikere modtog snart stort antal resultater, men nogle af dem er ret modstridende. Amonton til at regulere hans normalt termometer målte udvidelsen af ​​luft, når den blev opvarmet fra 0° til 80° R og relativt nøjagtigt bestemt den til at være 0,380 af dens volumen ved 0°. På den anden side opnåede Nuge i 1705 ved hjælp af en let modificeret anordning en gang et antal dobbelt så stort, og en anden gang et tal endda 16 gange større. La Hire (1708) fik også 1,5 og endda 3,5 i stedet for Amonton-tallet. Goakesby (1709) fandt tallet 0,455; Kryukius (1720) -- 0,411; Logs -- 0,333; Bonn -- 0,462; Muschenbreck -- 0,500; Lambert ("Pyrometrie", s. 47) - 0,375; Deluc - 0,372; I.T. Meyer - 0,3755 og 0,3656; Saussure - 0,339; Vandermonde, Berthollet og Monge modtog (1786) - 0,4328. Priestley, som opnåede et tal på 0,9375 væsentligt afvigende fra det sande tal for luftens ekspansion, hævdede desuden, at oxygen, nitrogen, brint, kulsyre, dampe af salpetersyre, saltsyre, svovlsyre, flussyre og ammoniak - de er alle forskellige i deres ekspansion fra luften. G. G. Schmidt (“Green’s Neues Journ.”, IV, s. 379) opnåede for luftens ekspansion tallet 0,3574, for oxygen 0,3213 og endelig for brint, kulsyre og nitrogen 0,4400, 0,4352, 0,4787 Duvernoy sluttede sig til Priestleys mening, men fandt generelt ud af, at udvidelsen af ​​gasser ikke er helt proportional med ændringen i temperatur.

Teoretisk materiale

Siden oldtiden har mennesket ønsket at være fri for fysisk anstrengelse eller at lette det, når man flytter noget, at have større styrke, hastighed.

Legender blev skabt om flytæpper, syv-ligastøvler og troldmænd, der bar en person til fjerne lande med bølgen af ​​en tryllestav. Når man transporterede tunge byrder, opfandt folk vogne, fordi det er nemmere at rulle. Så tilpassede de dyr - okser, rådyr, hunde og mest af alt heste. Sådan fremstod vogne og vogne. I vogne søgte folk komfort og forbedrede dem mere og mere.

Folks ønske om at øge hastigheden fremskyndede også ændringen af ​​begivenheder i transportudviklingens historie. Fra det græske "autos" - "sig selv" og det latinske "mobilis" - "mobil" i europæiske sprog Adjektivet "selvkørende" blev dannet, bogstaveligt talt "bil".

Det gjaldt for ure, automatiske dukker, til alle mulige mekanismer, generelt, til alt, hvad der tjente som en slags tilføjelse til "fortsættelse", "forbedring" af en person. I det 18. århundrede forsøgte de at erstatte mandskab med dampkraft og anvendte udtrykket "bil" på sporløse vogne.

Hvorfor er en bils alder startet fra de første "benzinbiler" med en forbrændingsmotor, opfundet og bygget i 1885-1886? Som om man glemmer alt om damp og batteri (elektriske) besætninger. Faktum er, at forbrændingsmotoren lavede en reel revolution inden for transportteknologi. I lang tid viste det sig at være det mest i overensstemmelse med ideen om en bil og beholdt derfor sin dominerende stilling i lang tid. Andelen af ​​køretøjer med forbrændingsmotorer tegner sig i dag for mere end 99,9 % af den globale vejtransport.<Приложение 1>

Hoveddele varmemotor

I moderne teknologi mekanisk energi opnås hovedsageligt fra brændstoffets indre energi. Enheder, hvor intern energi omdannes til mekanisk energi, kaldes varmemotorer. For at udføre arbejde ved at brænde brændstof i en enhed kaldet en varmelegeme, kan du bruge en cylinder, hvor gas opvarmes og udvides og flytter et stempel.<Приложение 3>Den gas, hvis ekspansion får stemplet til at bevæge sig, kaldes arbejdsvæsken. Gassen udvider sig, fordi dens tryk er højere end det eksterne tryk. Men når gassen udvider sig, falder dens tryk, og før eller siden vil det blive lig med det ydre tryk. Så vil udvidelsen af ​​gassen ophøre, og den holder op med at virke.

Hvad skal der gøres, så driften af ​​varmemotoren ikke stopper? For at motoren skal fungere kontinuerligt, er det nødvendigt, at stemplet, efter at have udvidet gassen, vender tilbage til sin oprindelige position hver gang og komprimerer gassen til sin oprindelige tilstand. Kompression af en gas kan kun ske under påvirkning af en ekstern kraft, som i dette tilfælde virker (gastrykkraften i dette tilfælde virker negativt). Herefter kan der igen opstå gasudvidelses- og kompressionsprocesser. Det betyder, at driften af ​​en varmemotor skal bestå af periodisk gentagne processer (cyklusser) af ekspansion og kompression.

Figur 1

Figur 1 viser grafisk processerne med gasudvidelse (linje AB) og kompression til det oprindelige volumen (linje CD). Arbejdet udført af gassen under ekspansionsprocessen er positivt (AF > 0) og er numerisk lig med arealet af figuren ABEF. Gasarbejdet udført under kompression er negativt (siden AF< 0) и численно равна площади фигуры CDEF. Полезная работа за этот цикл численно равна разности площадей под кривыми АВ и CD (закрашена на рисунке).

Tilstedeværelsen af ​​et varmelegeme, arbejdsvæske og køleskab er afgørende nødvendig betingelse til kontinuerlig cyklisk drift af enhver varmemotor.

Varmemotoreffektivitet

Arbejdsvæsken, der modtager en vis mængde varme Q1 fra varmeapparatet, giver en del af denne mængde varme, svarende til modul |Q2|, til køleskabet. Derfor kan det udførte arbejde ikke være større end A = Q1 -- |Q2|. Forholdet mellem dette arbejde og mængden af ​​varme modtaget af den ekspanderende gas fra varmeren kaldes varmemotorens effektivitet:

Effektiviteten af ​​en varmemotor, der kører i en lukket cyklus, er altid mindre end én. Opgaven for termisk kraftteknik er at gøre effektiviteten så høj som muligt, det vil sige at bruge så meget af den varme, der modtages fra varmeren som muligt, til at producere arbejde. Hvordan kan dette opnås?

For første gang blev den mest perfekte cykliske proces, bestående af isotermer og adiabater, foreslået af den franske fysiker og ingeniør S. Carnot i 1824.

Carnot cyklus.

Lad os antage, at gassen er i en cylinder, hvis vægge og stempel er lavet af et varmeisolerende materiale, og bunden er lavet af et materiale med høj varmeledningsevne. Volumenet optaget af gassen er lig med V1.

Figur 2

Lad os bringe cylinderen i kontakt med varmelegemet (Figur 2) og lade gassen udvide sig isotermisk og udføre arbejde. Gassen modtager en vis mængde varme Q1 fra varmeren. Denne proces er grafisk repræsenteret ved en isoterm (kurve AB).

Figur 3

Når gasvolumenet bliver lig med en vis værdi V1"< V2, дно цилиндра изолируют от нагревателя, после этого газ расширяется адиабатно до объема V2, соответствующего максимально возможному ходу поршня в цилиндре (адиабата ВС). При этом газ охлаждается до температуры T2 < T1.

Den afkølede gas kan nu komprimeres isotermisk ved temperatur T2. For at gøre dette skal det bringes i kontakt med et legeme med samme temperatur T2, dvs. med et køleskab, og gassen skal komprimeres af en ekstern kraft. Men i denne proces vil gassen ikke vende tilbage til sin oprindelige tilstand - dens temperatur vil altid være lavere end T1.

Derfor bringes isotermisk kompression til et vist mellemvolumen V2">V1 (isoterm CD). I dette tilfælde afgiver gassen en vis mængde varme Q2 til køleskabet, svarende til det kompressionsarbejde, der udføres på det. Efter dette , gassen komprimeres adiabatisk til volumen V1, mens dens temperatur stiger til T1 (adiabatisk DA) Nu er gassen vendt tilbage til sin oprindelige tilstand, hvor dens volumen er V1, temperaturen er T1, trykket er p1, og cyklussen kan være gentaget igen.

Så i ABC-sektionen virker gassen (A > 0), og i CDA-sektionen udføres arbejdet på gassen (A)< 0). На участках ВС и AD работа совершается только за счет изменения внутренней энергии газа. Поскольку изменение внутренней энергии UBC = -UDA, то и работы при адиабатных процессах равны: АВС = -АDA. Следовательно, fuldtidsjob, udført pr. cyklus, bestemmes af forskellen i arbejde udført under isotermiske processer (afsnit AB og CD). Numerisk er dette arbejde lig med arealet af figuren afgrænset af ABCD-cykluskurven.

Kun en del af mængden af ​​varme QT modtaget fra varmelegemet, svarende til QT1- |QT2|, bliver faktisk konverteret til nyttigt arbejde. Altså i Carnot-cyklussen nyttigt arbejde A = QT1 - |QT2|.

Interne energireserver i jordskorpen og oceaner kan betragtes som praktisk talt ubegrænsede. Men det er ikke nok at have energireserver. Det er nødvendigt at kunne bruge energi til at sætte værktøjsmaskiner i gang på fabrikker og fabrikker, køretøjer, traktorer og andre maskiner, til at rotere elektriske strømgeneratorers rotorer osv. Menneskeheden har brug for motorer - apparater, der er i stand til at udføre arbejde.

Irreversibiliteten af ​​processer i naturen pålægger visse begrænsninger for muligheden for at bruge intern energi til at udføre arbejde i varmemotorer.

Varmemotorers rolle i udviklingen af ​​termisk kraftteknik og transport. De fleste af motorerne på Jorden er varmemotorer, det vil sige enheder, der omdanner brændstofs indre energi til mekanisk energi.

Af størst betydning er brugen af ​​varmemotorer (hovedsageligt kraftige dampturbiner) i termiske kraftværker, hvor de driver rotorerne i elektriske strømgeneratorer. Mere end 80% af al elektricitet i vores land produceres på termiske kraftværker.

Varmemotorer, dampturbiner - også installeret på alle atomkraftværker. På disse stationer for at få damp høj temperatur Atomkernernes energi bruges.

Desuden bruger alle større typer moderne transport overvejende varmemotorer. På vejtransport bruge stempel forbrændingsmotorer med ekstern uddannelse brændbar blanding (karburatormotorer) og motorer med dannelse af en brændbar blanding direkte inde i cylindrene (dieselmotorer) De samme motorer er installeret på traktorer, som er uundværlige i landbruget.

Inden for jernbanetransport indtil midten af ​​det 20. århundrede. Hovedmotoren var en dampmaskine. Nu bruger de primært diesellokomotiver med diesel enheder og elektriske lokomotiver. Men elektriske lokomotiver modtager også i sidste ende energi hovedsageligt fra termiske motorer på kraftværker.

Vandtransport bruger både forbrændingsmotorer og kraftige dampturbiner til store skibe.

I luftfarten er stempelmotorer installeret på lette fly, og turbojet- og jetmotorer, som også hører til termiske motorer, er installeret på enorme passagerfly. Jetmotorer også gælde for rumraketter.

Uden varmemotorer er moderne civilisation utænkelig. Vi ville ikke have en overflod af billig elektricitet og ville blive berøvet alle former for hurtig transport.

Hovedbetingelsen for drift af varmemotorer. I alle varmemotorer øger brændstof under forbrænding temperaturen af ​​arbejdsvæsken med hundreder eller tusinder af grader sammenlignet med miljøet. I dette tilfælde stiger trykket af arbejdsvæsken sammenlignet med trykket miljø atmosfæren, og kroppen virker på grund af dens indre energi. Arbejdsvæsken i alle varmemotorer er gas.

Ingen varmemotor kan arbejde ved samme temperatur som dens arbejdsvæske og miljøet. i stand til termisk ligevægt ingen makroskopiske processer forekommer; i særdeleshed kan der ikke udføres noget arbejde.

En varmemotor udfører arbejde ved hjælp af intern energi i processen med at overføre varme fra varmere legemer til koldere. I dette tilfælde er det udførte arbejde altid mindre end mængden af ​​varme, der modtages af motoren fra den varme krop (varmelegeme). Noget af varmen overføres til en koldere krop (køleskab).

Køleskabets rolle. Lad os finde ud af, hvorfor noget af varmen uundgåeligt overføres til køleskabet, når en varmemotor kører.

Under adiabatisk ekspansion af gas i en cylinder (fig. 45) udføres arbejdet på grund af et fald i intern energi uden varmeoverførsel til køleskabet. Ifølge formel (4.14). I en isoterm proces viser al varme, der overføres til gassen, sig at være lig med arbejde; .

Men i både den første og anden proces arbejdes der under en enkelt udvidelse af gassen til et tryk svarende til det eksterne (f.eks. atmosfærisk tryk). Motoren skal køre lang tid. Dette er kun muligt, hvis alle dele af motoren (stempler, ventiler osv.) laver bevægelser, der gentages med bestemte intervaller. Motoren skal periodisk vende tilbage til sin oprindelige tilstand efter en driftscyklus; eller motoren skal gennemgå en tidsinvariant (stationær) proces (for eksempel kontinuerlig rotation af en turbine).

For at bringe gassen i cylinderen tilbage til dens oprindelige tilstand skal den komprimeres. For at komprimere en gas skal der arbejdes på den. Kompressionsarbejdet vil være mindre end det arbejde, som gassen selv udfører under udvidelsen, hvis gassen komprimeres ved en lavere temperatur, og derfor ved et lavere tryk, end hvad der skete under udvidelsen af ​​gassen. For at gøre dette er det nødvendigt at afkøle gassen før kompression eller under kompressionsprocessen, der overfører en vis mængde varme til køleskabet.

I motorer, der anvendes i praksis, afkøles den færdige arbejdsgas (eller damp) ikke før efterfølgende kompression, men frigives fra motoren, og den næste driftscyklus begynder med en ny portion gas. Udstødningsgassen har en højere temperatur end de omgivende legemer og overfører noget varme til dem.

For at rotere en dampturbine tilføres kontinuerligt varm damp under højt tryk til dens vinger, som efter endt arbejde afkøles og fjernes fra turbinen. Når dampen afkøles og kondenserer, overfører den varme til omgivende kroppe.

I en dampturbine eller maskine er varmeren en dampkedel, og køleskabet er atmosfæren eller specielle enheder til afkøling og kondensering af udstødningsdamp - kondensatorer. I forbrændingsmotorer opstår en temperaturstigning, når brændstof forbrændes inde i motoren, og "varmeren" er selve de varme forbrændingsprodukter. Køleskabet fungerer også som en atmosfære, hvori udstødningsgasser frigives.

Det skematiske diagram af en varmemotor er vist på farveindsatsen Motorens arbejdsvæske modtager en mængde varme fra varmeren, udfører arbejde A og overfører varmemængden til køleskabet.

En anden formulering af termodynamikkens anden lov. Umuligheden af ​​fuldstændig at omdanne intern energi til arbejde i varmemotorer, der periodisk vender tilbage til deres oprindelige tilstand, skyldes irreversibiliteten af ​​processer i naturen og ligger til grund for en anden formulering af termodynamikkens anden lov.

Denne formulering tilhører den engelske videnskabsmand W. Kelvin: det er umuligt at udføre en sådan periodisk proces, hvis eneste resultat ville være produktion af arbejde på grund af varme taget fra én kilde.

Begge formuleringer af termodynamikkens anden lov betinger hinanden gensidigt. Hvis varmen spontant kunne overføres fra køleskabet til varmeren, så indre energi kunne fuldstændigt omdannes til arbejde af enhver varmemotor.

Varmemotorer er nødvendige for at generere elektricitet til at drive de fleste transportkøretøjer.

Af størst betydning er brugen af ​​kraftige dampturbiner i kraftværker til at rotere generatorrotorer. Dampturbiner er også installeret på atomkraftværker, hvor energien fra atomkerner bruges til at producere højtemperaturdamp.

Moderne transport anvender alle typer varmemotorer. I biler bruges traktorer, selvkørende mejetærskere, diesellokomotiver, stempelforbrændingsmotorer, i luftfart - gasturbiner, i rumraketter - jetmotorer.

Varmemotorer har nogle skadelige virkninger på miljøet:

1. Varmemotoreffektivitet η < 50 %, следовательно, большая часть энергии топлива рассеивается в окружающем пространстве, вредно влияя на общую экологическую обстановку:
2. termiske kraftværker og biler udsender brændstofforbrændingsprodukter, der er skadelige for planter, dyr og mennesker (svovlforbindelser, carbonoxider, nitrogenoxider osv.);
3. øget koncentration kuldioxid i atmosfæren stiger" drivhuseffekt"Jord.

I den forbindelse er problemet med naturbeskyttelse blevet meget vigtigt. For at beskytte miljøet er det nødvendigt at sikre:

1. effektiv rensning af udstødningsgasser, der udsendes til atmosfæren;
2. ved at bruge brændstof af høj kvalitet, hvilket skaber betingelser for mere fuldstændig forbrænding;
3. øge effektiviteten af ​​varmemotorer ved at reducere friktionstab og fuldstændig forbrænding af brændstof mv.

Brugen af ​​brint som brændstof til varmemotorer er lovende: forbrændingen af ​​brint producerer vand. Der er intensiv forskning i gang for at skabe elektriske køretøjer, der kan erstatte benzindrevne biler.

Litteratur

Aksenovich L. A. Fysik i gymnasium: Teori. Opgaver. Prøver: Lærebog. fordele for institutioner, der tilbyder almen uddannelse. miljø, uddannelse / L. A. Aksenovich, N. N. Rakina, K. S. Farino; Ed. K. S. Farino. - Mn.: Adukatsiya i vyakhavanne, 2004. - S. 165.

Teknisk termodynamik. Grundlæggende begreber og definitioner

Kartashevich, A.N., Kostenich, V.G., Pontalev, O.V.

K 27 Termisk teknik: forelæsningsforløb. Del 1. – Gorki: Belarusian State Agricultural Academy, 2011. 48 s.

ISBN 978-985-467-319-6

De vigtigste parametre og tilstandsligninger tages i betragtning ideelle gasser, koncept og typer af varmekapacitet, ideel gasblandinger og metoder til at bestemme deres parametre. Formuleringerne og de grundlæggende bestemmelser i termodynamikkens første og anden lov er givet, samt en analyse af ideelle gassers grundlæggende termodynamiske processer.

For studerende på speciale 1-74 06 01 – Teknisk support landbrugsproduktionsprocesser, 1-74 06 04 – Teknisk support til indvindings- og vandforvaltningsarbejder, 1-74 06 06 – Logistikstøtte til det agroindustrielle kompleks.

Tabeller 4. Figurer 27. Bibliografi. 12.

Anmeldere: A.S. DOBYSHEV, doktor i ingeniørvidenskab. Videnskaber, professor, leder. Institut for Mekanisering af Husdyrhold og Elektrificering af Landbrugsproduktion (EI "BSAHA"); V.G. SAMOSYUK, Ph.D. økonomi. videnskaber, daglig leder Republican Unitary Enterprise "Scientific and Practical Center of the National Academy of Sciences of Belarus for Agricultural Mechanization".

UDC 621,1 (075,8)

BBK 31,3ya73

Varme bruges i alle områder af menneskelig aktivitet - til at generere elektricitet, køre køretøjer og forskellige mekanismer, varme lokaler, såvel som til teknologiske behov.

Den vigtigste måde at opnå varme på i dag er forbrænding af fossile brændstoffer – kul, olie og gas, som dækker omkring 90 % af menneskehedens energibehov. Data om energiforbrug i verden for de seneste år og dets fordeling efter arter er vist i tabel. 1.

Tabel 1. Verdens energiforbrugs struktur i 1998-2008

Som det kan ses af tabellen. 1 data, stiger det globale energiforbrug fra år til år. Befolkningen og menneskelige behov vokser konstant, og det medfører en stigning i energiproduktionen og vækstraten i dets forbrug.

Reserverne af olie, gas og kul er dog ikke uendelige, og ifølge prognoser kan de udforskede ressourcer være nok: olie i 40 år, gas i 60 år, kul i 120 år. Naturlige uranreserver er tilstrækkelige til at dække verdens energibehov i cirka 85 år.

En anden faktor, der begrænser den yderligere stigning i energiproduktionen ved afbrænding af brændstof, er den stadigt stigende forurening af miljøet fra dets forbrændingsprodukter. Ikke mindre farlig er termisk forurening af miljøet, hvilket fører til global opvarmning og klimaændringer, smeltende gletsjere og stigende havniveauer.

Inden for atomenergi er der miljøproblemer anden art relateret til behovet for begravelse atomaffald, hvilket også giver store vanskeligheder.

For at bestemme de mest rationelle måder at bruge varme på, analysere effektiviteten af ​​arbejdsprocesser i termiske installationer og skabe nye, mere avancerede typer termiske enheder, kræves viden teoretiske grundlag varmeteknik.