Rollen til varmemotorer i boring. Rollen til varmemotorer i menneskelivet

Det er foreløpig umulig å navngi noe område produksjonsaktiviteter person, uansett hvor den brukes termiske installasjoner. Romteknologi, metallurgi, maskinverktøybygging, transport, energi, Jordbruk, kjemisk industri, produksjon matvarer- ikke langt full liste næringer Nasjonal økonomi, hvor det er nødvendig å bestemme vitenskapelig og tekniske problemer knyttet til varmeinstallasjoner.

I varmemotorer og termiske installasjoner omdannes varme til arbeid eller arbeid til varme.

En dampturbin er en varmemotor der potensiell energi dampen blir til kinetisk, og kinetisk til mekanisk rotasjonsenergi til rotoren. Turbinrotoren er direkte koblet til akselen til arbeidsmaskinen, som kan være en elektrisk generator, en propell, etc.

Bruken av varmemotorer i jernbanetransport spesielt stor, fordi Med introduksjonen av diesellokomotiver på jernbaner har det blitt lettere å transportere hovedtyngden av varer og passasjerer i alle retninger. Diesellokomotiver dukket opp på Sovjet jernbaner for mer enn et halvt århundre siden, på initiativ fra V.I. Lenin. Diesel driver diesellokomotivet direkte, og ved hjelp av en elektrisk girkasse - generatorer elektrisk strøm og elektriske motorer. På samme aksel med hvert diesellokomotiv er det en likestrømsgenerator. Den elektriske strømmen som genereres av generatoren, kommer inn i trekkmotorene som er plassert på akslene til diesellokomotivet. Et diesellokomotiv er mer komplekst enn et elektrisk lokomotiv og koster mer, men det krever ikke kontaktnettverk eller trekkstasjoner. Diesellokomotivet kan brukes overalt jernbaner, og dette er dens store fordel. Diesel er en økonomisk motor diesellokomotivet har nok drivstoff til lang vei. For å frakte stor og tung last ble det bygget tunge lastebiler, hvor det i stedet for bensinmotorer kraftigere dieselmotorer dukket opp. De samme motorene fungerer på traktorer, skurtreskere og skip. Bruken av disse motorene letter i stor grad menneskelig arbeid. I 1897 foreslo den tyske ingeniøren R. Diesel en motor med kompresjonstenning som ikke bare kunne kjøre på bensin, men også på hvilket som helst annet drivstoff: parafin, olje. Motorene ble også kalt dieseler.

Historien om varmemotorer går langt tilbake. For mer enn to tusen år siden, i det 3. århundre f.Kr. epoken bygde den store greske mekanikeren og matematikeren Arkimedes en kanon som skjøt med damp.

Det er hundrevis av millioner av varmemotorer i verden i dag. For eksempel motorer intern forbrenning installert på biler, skip, traktorer, motorbåter, etc. Observasjonen av at endringer i temperaturen på kropper er konstant ledsaget av endringer i volumene går tilbake til fjern antikken, men definisjonen absolutt verdi forholdet mellom disse endringene tilhører bare moderne tid. Før oppfinnelsen av termometre kunne slike definisjoner selvfølgelig ikke tenkes, men med utviklingen av termometri ble en nøyaktig studie av denne sammenhengen helt nødvendig. Dessuten, på slutten av det siste 1700-tallet og begynnelsen av det nåværende 1800-tallet, var det mange ulike fenomener, som oppmuntret meg til å ta nøye målinger av ekspansjon av kropper på grunn av varme; disse var: behovet for å korrigere barometriske avlesninger ved bestemmelse av høyder, bestemmelse av astronomisk brytning, spørsmålet om elastisiteten til gasser og damper, gradvis økende bruk av metaller til vitenskapelige instrumenter og tekniske formål, etc.

Først og fremst vendte jeg meg naturligvis til definisjonen av luftekspansjon, som i sin størrelse var mest slående og virket lettest målbar. Mange fysikere fikk snart et stort nummer av resultater, men noen av dem er ganske motstridende. Amonton for å regulere hans vanlig termometer målte utvidelsen av luft ved oppvarming fra 0° til 80° R og bestemte relativt nøyaktig at den var 0,380 av volumet ved 0°. På den annen side oppnådde Nuge i 1705, ved bruk av en litt modifisert enhet, en gang et tall som var dobbelt så stort, og en annen gang et tall som var enda 16 ganger større. La Hire (1708) fikk også 1,5 og til og med 3,5 i stedet for Amonton-tallet. Goakesby (1709) fant tallet 0,455; Kryukius (1720) -- 0,411; Logger -- 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 fikk (1786) - 0,4328. Priestley, som oppnådde et tall på 0,9375 som signifikant avviker fra det sanne tallet for ekspansjon av luft, hevdet dessuten at oksygen, nitrogen, hydrogen, karbonsyre, damper av salpetersyre, saltsyre, svovelsyre, flussyre og ammoniakk - de er alle forskjellige i deres ekspansjon fra luft. G. G. Schmidt (“Green’s Neues Journ.”, IV, s. 379) oppnådde for utvidelse av luft tallet 0,3574, for oksygen 0,3213, og til slutt, for hydrogen, karbonsyre og nitrogen 0,4400, 0,4352, 0,4787 Duvernoy sluttet seg til Priestleys mening, men fant generelt ut at utvidelsen av gasser ikke er helt proporsjonal med endringen i temperaturen.

Teoretisk materiale

Siden antikken har mennesket ønsket å være fri for fysisk anstrengelse eller å lette det når man flytter noe, å ha større styrke, hastighet.

Legender ble skapt om flytepper, syv-ligastøvler og trollmenn som fraktet en person til fjerne land med bølgen av en tryllestav. Når de bærer tung last, oppfant folk vogner fordi det er lettere å trille. Deretter tilpasset de dyr - okser, hjort, hunder, og mest av alt hester. Slik fremsto vogner og vogner. I vogner søkte folk komfort, og forbedret dem mer og mer.

Ønsket fra folk om å øke hastigheten akselererte også endringen av hendelser i transportutviklingens historie. Fra det greske "autos" - "seg selv" og det latinske "mobilis" - "mobil" i europeiske språk Adjektivet "selvgående" ble dannet, bokstavelig talt "bil".

Det gjaldt klokker, automatiske dukker, for alle slags mekanismer, generelt, for alt som fungerte som et slags tillegg til "fortsettelse", "forbedring" av en person. På 1700-tallet prøvde de å erstatte arbeidskraft med dampkraft og brukte begrepet "bil" på sporløse vogner.

Hvorfor starter en bils alder fra de første "bensinbilene" med forbrenningsmotor, oppfunnet og bygget i 1885-1886? Som om man glemmer damp og batteri (elektriske) mannskaper. Faktum er at forbrenningsmotoren gjorde en reell revolusjon innen transportteknologi. I lang tid viste det seg å være det mest konsistente med ideen om en bil og beholdt derfor sin dominerende posisjon i lang tid. Andelen kjøretøyer med forbrenningsmotorer utgjør i dag mer enn 99,9 % av den globale veitransporten.<Приложение 1>

Hoved deler varmemotor

I moderne teknologi mekanisk energi hentes hovedsakelig fra drivstoffets indre energi. Enheter der intern energi omdannes til mekanisk energi kalles varmemotorer. For å utføre arbeid ved å brenne drivstoff i en enhet som kalles en varmeovn, kan du bruke en sylinder der gass varmes opp og utvides og beveger et stempel.<Приложение 3>Gassen hvis ekspansjon får stemplet til å bevege seg kalles arbeidsfluidet. Gassen utvider seg fordi trykket er høyere enn det ytre trykket. Men når gassen utvider seg, synker trykket, og før eller siden vil det bli lik det ytre trykket. Da vil utvidelsen av gassen avsluttes og den slutter å virke.

Hva bør gjøres for at driften av varmemotoren ikke stopper? For at motoren skal fungere kontinuerlig, er det nødvendig at stempelet, etter å ha utvidet gassen, går tilbake til sin opprinnelige posisjon hver gang, og komprimerer gassen til sin opprinnelige tilstand. Komprimering av en gass kan bare skje under påvirkning av en ekstern kraft, som i dette tilfellet virker (gasstrykkkraften i dette tilfellet virker negativt). Etter dette kan gassekspansjon og kompresjonsprosesser oppstå igjen. Dette betyr at driften av en varmemotor må bestå av periodisk repeterende prosesser (sykluser) med ekspansjon og kompresjon.

Bilde 1

Figur 1 viser grafisk prosessene med gassekspansjon (linje AB) og kompresjon til det opprinnelige volumet (linje CD). Arbeidet som utføres av gassen under ekspansjonsprosessen er positivt (AF > 0) og er numerisk lik arealet til figuren ABEF. Gassarbeidet som utføres under kompresjon 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 av en varmeovn, arbeidsvæske og kjøleskap er avgjørende nødvendig tilstand for kontinuerlig syklisk drift av enhver varmemotor.

Varmemotoreffektivitet

Arbeidsvæsken, som mottar en viss mengde varme Q1 fra varmeren, gir en del av denne varmemengden, lik modul |Q2|, til kjøleskapet. Derfor kan ikke arbeidet som er utført være større enn A = Q1 -- |Q2|. Forholdet mellom dette arbeidet og mengden varme mottatt av den ekspanderende gassen fra varmeren kalles effektiviteten til varmemotoren:

Effektiviteten til en varmemotor som opererer i en lukket syklus er alltid mindre enn én. Oppgaven til termisk kraftteknikk er å gjøre effektiviteten så høy som mulig, det vil si å bruke så mye av varmen som mottas fra varmeren som mulig til å produsere arbeid. Hvordan kan dette oppnås?

For første gang ble den mest perfekte sykliske prosessen, bestående av isotermer og adiabater, foreslått av den franske fysikeren og ingeniøren S. Carnot i 1824.

Carnot syklus.

La oss anta at gassen er i en sylinder, hvis vegger og stempel er laget av et varmeisolerende materiale, og bunnen er laget av et materiale med høy varmeledningsevne. Volumet okkupert av gassen er lik V1.

Figur 2

La oss bringe sylinderen i kontakt med varmeren (Figur 2) og la gassen utvide seg isotermisk og utføre arbeid. Gassen mottar en viss mengde varme Q1 fra varmeren. Denne prosessen er grafisk representert ved en isoterm (kurve AB).

Figur 3

Når gassvolumet blir lik en viss verdi 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 avkjølte gassen kan nå komprimeres isotermisk ved temperatur T2. For å gjøre dette må den bringes i kontakt med et legeme med samme temperatur T2, dvs. med et kjøleskap, og gassen må komprimeres av en ekstern kraft. Imidlertid vil gassen i denne prosessen ikke gå tilbake til sin opprinnelige tilstand - temperaturen vil alltid være lavere enn T1.

Derfor bringes isotermisk kompresjon til et visst mellomvolum V2">V1 (CD-isoterm). I dette tilfellet gir gassen en viss mengde varme Q2 til kjøleskapet, lik kompresjonsarbeidet som utføres på det. Etter dette , gassen komprimeres adiabatisk til volum V1, mens temperaturen stiger til T1 (adiabatisk DA) Nå har gassen returnert til sin opprinnelige tilstand, hvor volumet er V1, temperaturen er T1, trykket er p1, og syklusen kan være gjentatt igjen.

Så i ABC-seksjonen fungerer gassen (A > 0), og i CDA-seksjonen gjøres arbeidet 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, fulltidsjobb, utført per syklus, bestemmes av forskjellen i arbeid utført under isotermiske prosesser (avsnitt AB og CD). Numerisk er dette arbeidet lik arealet av figuren avgrenset av ABCD-sykluskurven.

Bare en del av mengden varme QT mottatt fra varmeren, lik QT1- |QT2|, blir faktisk konvertert til nyttig arbeid. Så, i Carnot-syklusen nyttig arbeid A = QT1 - |QT2|.

Interne energireserver i jordskorpen og hav kan anses som praktisk talt ubegrenset. Men å ha energireserver er ikke nok. Det er nødvendig å kunne bruke energi til å sette i gang verktøymaskiner i fabrikker og fabrikker, kjøretøyer, traktorer og andre maskiner, til å rotere rotorene til elektriske strømgeneratorer osv. Menneskeheten trenger motorer - enheter som er i stand til å utføre arbeid.

Irreversibiliteten til prosesser i naturen legger visse begrensninger på muligheten for å bruke intern energi til å utføre arbeid i varmemotorer.

Rollen til varmemotorer i utviklingen av termisk kraftteknikk og transport. De fleste av motorene på jorden er varmemotorer, det vil si enheter som konverterer den indre energien til drivstoff til mekanisk energi.

Av størst betydning er bruken av varmemotorer (hovedsakelig kraftige dampturbiner) i termiske kraftverk, hvor de driver rotorene til elektriske strømgeneratorer. Mer enn 80 % av all elektrisitet i landet vårt produseres ved termiske kraftverk.

Varmemotorer, dampturbiner - også installert på alle atomkraftverk. På disse stasjonene for å få damp høy temperatur Energien til atomkjerner brukes.

Videre bruker alle hovedtyper av moderne transport hovedsakelig varmemotorer. På veitransport bruk stempel forbrenningsmotorer med ekstern utdanning brennbar blanding (forgassermotorer) og motorer med dannelse av en brennbar blanding direkte inne i sylindrene (dieseler) De samme motorene er installert på traktorer, som er uunnværlige i landbruket.

I jernbanetransport frem til midten av 1900-tallet. Hovedmotoren var en dampmaskin. Nå bruker de hovedsakelig diesellokomotiv med diesel enheter og elektriske lokomotiver. Men elektriske lokomotiver mottar også til slutt energi hovedsakelig fra termiske motorer til kraftverk.

Vanntransport bruker både forbrenningsmotorer og kraftige dampturbiner for store skip.

I luftfarten er stempelmotorer installert på lette fly, og turbojet- og jetmotorer, som også tilhører termiske motorer, er installert på enorme passasjerfly. Jetmotorer også gjelde for romraketter.

Uten varmemotorer er moderne sivilisasjon utenkelig. Vi ville ikke hatt en overflod av billig strøm og ville bli fratatt alle former for rask transport.

Hovedbetingelsen for drift av varmemotorer. I alle varmemotorer øker drivstoff under forbrenning temperaturen på arbeidsvæsken med hundrevis eller tusenvis av grader sammenlignet med miljøet. I dette tilfellet øker trykket på arbeidsfluidet sammenlignet med trykket miljø, dvs. atmosfæren, og kroppen fungerer på grunn av sin indre energi. Arbeidsvæsken til alle varmemotorer er gass.

Ingen varmemotor kan operere ved samme temperatur som arbeidsvæsken og miljøet. I stand termisk likevekt ingen makroskopiske prosesser forekommer; spesielt kan det ikke gjøres noe arbeid.

En varmemotor utfører arbeid ved å bruke intern energi i prosessen med å overføre varme fra varmere kropper til kaldere. I dette tilfellet er arbeidet som utføres alltid mindre enn mengden varme mottatt av motoren fra den varme kroppen (varmeren). Noe av varmen overføres til en kaldere kropp (kjøleskap).

Kjøleskapets rolle. La oss finne ut hvorfor, når en varmemotor går, blir noe av varmen uunngåelig overført til kjøleskapet.

Under adiabatisk ekspansjon av gass i en sylinder (fig. 45) utføres arbeid på grunn av en reduksjon i intern energi uten varmeoverføring til kjøleskapet. I henhold til formel (4.14). I en isoterm prosess viser all varme som overføres til gassen seg å være lik arbeid; .

I både den første og andre prosessen utføres imidlertid arbeid under en enkelt utvidelse av gassen til et trykk lik det eksterne (f.eks. atmosfærisk trykk). Motoren må gå lang tid. Dette er kun mulig hvis alle deler av motoren (stempler, ventiler osv.) gjør bevegelser som gjentas med bestemte intervaller. Motoren må periodisk gå tilbake til sin opprinnelige tilstand etter én driftssyklus; eller motoren må gjennomgå en tidsinvariant (stasjonær) prosess (for eksempel kontinuerlig rotasjon av en turbin).

For å returnere gassen i sylinderen til sin opprinnelige tilstand, må den komprimeres. For å komprimere en gass må det jobbes med den. Kompresjonsarbeidet vil være mindre enn arbeidet som gjøres av gassen selv under ekspansjon dersom gassen komprimeres ved lavere temperatur, og derfor ved lavere trykk, enn det som skjedde under ekspansjonen av gassen. For å gjøre dette er det nødvendig å avkjøle gassen før kompresjon eller under kompresjonsprosessen, og overføre en viss mengde varme til kjøleskapet.

I motorer som brukes i praksis, avkjøles ikke den fullførte arbeids- (eksos)gassen (eller dampen) før påfølgende kompresjon, men frigjøres fra motoren og neste driftssyklus begynner med en ny porsjon gass. Eksosgassen har høyere temperatur enn de omkringliggende kroppene og overfører noe varme til dem.

For å rotere en dampturbin, tilføres kontinuerlig varm damp under høyt trykk til bladene, som etter endt arbeid avkjøles og fjernes fra turbinen. Når dampen avkjøles og kondenserer, overfører den varme til omgivende kropper.

I en dampturbin eller maskin er varmeren en dampkjele, og kjøleskapet er atmosfæren eller spesielle enheter for kjøling og kondensering av eksosdamp - kondensatorer. I forbrenningsmotorer oppstår en temperaturøkning når drivstoff forbrennes inne i motoren, og "varmeren" er selve de varme forbrenningsproduktene. Kjøleskapet fungerer også som en atmosfære hvor avgasser slippes ut.

Det skjematiske diagrammet for en varmemotor er vist på fargeinnsatsen. Arbeidsvæsken til motoren mottar en mengde varme fra varmeren, utfører arbeid A og overfører varmemengden til kjøleskapet.

En annen formulering av termodynamikkens andre lov. Umuligheten av å fullstendig konvertere intern energi til arbeid i varmemotorer som periodisk går tilbake til sin opprinnelige tilstand skyldes irreversibiliteten til prosesser i naturen og ligger til grunn for en annen formulering av termodynamikkens andre lov.

Denne formuleringen tilhører den engelske forskeren W. Kelvin: det er umulig å gjennomføre en slik periodisk prosess, hvis eneste resultat ville være produksjon av arbeid på grunn av varme hentet fra én kilde.

Begge formuleringene av termodynamikkens andre lov betinger hverandre gjensidig. Hvis varmen spontant kan overføres fra kjøleskapet til varmeren, da indre energi kan bli fullstendig omgjort til arbeid av en hvilken som helst varmemotor.

Varmemotorer er nødvendige for å generere elektrisitet for å drive de fleste transportkjøretøyer.

Av størst betydning er bruken av kraftige dampturbiner i kraftverk for å rotere generatorrotorer. Det er også installert dampturbiner ved kjernekraftverk, hvor energien til atomkjerner brukes til å produsere høytemperaturdamp.

Moderne transport bruker alle typer varmemotorer. I biler brukes traktorer, selvgående skurtreskere, diesellokomotiver, stempelforbrenningsmotorer, i luftfart - gassturbiner, i romraketter - jetmotorer.

Varmemotorer har noen skadelige effekter på miljøet:

1. Varmemotoreffektivitet η < 50 %, следовательно, большая часть энергии топлива рассеивается в окружающем пространстве, вредно влияя на общую экологическую обстановку:
2. termiske kraftverk og biler avgir drivstoffforbrenningsprodukter som er skadelige for planter, dyr og mennesker (svovelforbindelser, karbonoksider, nitrogenoksider, etc.);
3. økt konsentrasjon karbondioksid i atmosfæren øker" Drivhuseffekt"Jord.

I denne forbindelse har problemet med naturvern blitt svært viktig. For å beskytte miljøet er det nødvendig å sikre:

1. effektiv rensing av eksosgasser som slippes ut i atmosfæren;
2. bruk av høykvalitets drivstoff, skaper forhold for mer fullstendig forbrenning;
3. øke effektiviteten til varmemotorer ved å redusere friksjonstap og fullstendig forbrenning av drivstoff, etc.

Bruken av hydrogen som drivstoff for varmemotorer er lovende: forbrenning av hydrogen produserer vann. Intensiv forskning pågår for å lage elektriske kjøretøy som kan erstatte bensindrevne biler.

Litteratur

Aksenovich L. A. Fysikk i videregående skole: Teori. Oppgaver. Prøver: Lærebok. godtgjørelse for institusjoner som tilbyr allmennutdanning. miljø, utdanning / L. A. Aksenovich, N. N. Rakina, K. S. Farino; Ed. K.S. Farino. - Mn.: Adukatsiya i vyakhavanne, 2004. - S. 165.

Teknisk termodynamikk. Grunnleggende begreper og definisjoner

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

K 27 Termisk teknikk: forelesningskurs. Del 1. – Gorki: Hviterussisk statlig landbruksakademi, 2011. 48 s.

ISBN 978-985-467-319-6

Hovedparametrene og tilstandsligningene vurderes ideelle gasser, konsept og typer varmekapasitet, ideelt gassblandinger og metoder for å bestemme deres parametere. Formuleringene og grunnleggende bestemmelsene i termodynamikkens første og andre lov er gitt, samt en analyse av de grunnleggende termodynamiske prosessene til ideelle gasser.

For studenter med spesialitet 1-74 06 01 – Teknisk støtte landbruksproduksjonsprosesser, 1-74 06 04 – Teknisk støtte for gjenvinnings- og vannforvaltningsarbeider, 1-74 06 06 – Logistikkstøtte for det agroindustrielle komplekset.

Tabeller 4. Figurer 27. Bibliografi. 12.

Anmeldere: A.S. DOBYSHEV, doktor i ingeniørfag. Vitenskaper, professor, leder. Institutt for mekanisering av husdyrhold og elektrifisering av landbruksproduksjon (EI "BSAHA"); V.G. SAMOSYUK, Ph.D. econ. vitenskaper, administrerende direktør Republican Unitary Enterprise "Vitenskapelig og praktisk senter for National Academy of Sciences of Belarus for Agricultural Mechanization".

UDC 621.1 (075.8)

BBK 31,3ya73

Varme brukes i alle områder av menneskelig aktivitet - for å generere elektrisitet, kjøre kjøretøy og ulike mekanismer, varme lokaler, samt for teknologiske behov.

Den viktigste måten å få varme på i dag er forbrenning av fossilt brensel – kull, olje og gass, som dekker omtrent 90 % av menneskehetens energibehov. Data om energiforbruk i verden for i fjor og dens fordeling etter arter er presentert i tabell. 1 .

Tabell 1. Struktur av verdens energiforbruk i 1998–2008

Som det fremgår av tabellen. 1-data øker det globale energiforbruket fra år til år. Befolkningen og menneskelige behov vokser stadig, og dette fører til en økning i energiproduksjonen og økningen i forbruket.

Reservene av olje, gass og kull er imidlertid ikke uendelige, og ifølge prognoser kan de utforskede ressursene være nok: olje i 40 år, gass i 60 år, kull i 120 år. Naturlige uranreserver er tilstrekkelige til å dekke verdens energibehov i omtrent 85 år.

En annen faktor som begrenser den ytterligere økningen i energiproduksjonen ved å brenne drivstoff er den stadig økende forurensningen av miljøet fra forbrenningsproduktene. Ikke mindre farlig er termisk forurensning av miljøet, noe som fører til global oppvarming og klimaendringer, smeltende isbreer og stigende havnivå.

Innen kjernekraft finnes det økologiske problemer annet slag knyttet til behovet for gravlegging atomavfall, som også byr på store vanskeligheter.

For å bestemme de mest rasjonelle måtene å bruke varme på, analysere effektiviteten til arbeidsprosessene til termiske installasjoner og lage nye, mer avanserte typer termiske apparater, kreves kunnskap. teoretiske grunnlag varmeteknikk.