De werking van veel soorten machines wordt gekenmerkt door zo'n belangrijke indicator als het rendement van een warmtemotor. Elk jaar streven ingenieurs ernaar om meer geavanceerde apparatuur te maken die, tegen lagere brandstofkosten, het maximale resultaat uit het gebruik ervan zou halen.
Warmtemotorapparaat
Alvorens te begrijpen wat efficiëntie is, is het noodzakelijk om te begrijpen hoe dit mechanisme werkt. Zonder de principes van zijn actie te kennen, is het onmogelijk om de essentie van deze indicator te achterhalen. Een warmtemotor is een apparaat dat wel werkt door gebruik te maken van interne energie. Elke warmtemotor die thermische energie omzet in mechanische energie, gebruikt de thermische uitzetting van stoffen bij toenemende temperatuur. In solid-state motoren is het niet alleen mogelijk om het volume van de materie te veranderen, maar ook de vorm van het lichaam. De werking van een dergelijke motor is onderworpen aan de wetten van de thermodynamica.
Werkingsprincipe
Om te begrijpen hoe een warmtemotor werkt, is het noodzakelijk om de basis te overwegenzijn ontwerpen. Voor de werking van het apparaat zijn twee lichamen nodig: warm (verwarmer) en koud (koelkast, koeler). Het werkingsprincipe van warmtemotoren (de efficiëntie van warmtemotoren) hangt af van hun type. Vaak fungeert de stoomcondensor als een koelkast, en elk type brandstof dat in de oven brandt, fungeert als verwarming. Het rendement van een ideale warmtemotor wordt bepaald door de volgende formule:
Efficiency=(Theater - Koeling)/ Theater. x 100%.
Tegelijkertijd kan de efficiëntie van een echte motor nooit hoger zijn dan de waarde die volgens deze formule wordt verkregen. Ook zal deze indicator nooit de bovenstaande waarde overschrijden. Om de efficiëntie te verhogen, verhoogt u meestal de temperatuur van de verwarming en verlaagt u de temperatuur van de koelkast. Beide processen worden beperkt door de werkelijke bedrijfsomstandigheden van de apparatuur.
Verwarmingsmotorrendement (formule)
Tijdens de werking van een warmtemotor wordt het werk gedaan, omdat het gas energie begint te verliezen en afkoelt tot een bepaalde temperatuur. Dit laatste is meestal een paar graden boven de omringende atmosfeer. Dit is de temperatuur van de koelkast. Zo'n speciaal apparaat is ontworpen voor koeling met daaropvolgende condensatie van de uitlaatstoom. Waar condensors aanwezig zijn, is de temperatuur van de koelkast soms lager dan de omgevingstemperatuur.
In een warmtemotor is het lichaam, wanneer het wordt verwarmd en uitgezet, niet in staat om al zijn interne energie te geven om werk te doen. Een deel van de warmte wordt samen met uitlaatgassen of stoom naar de koelkast overgebracht. Dit deelthermische interne energie gaat onvermijdelijk verloren. Tijdens de verbranding van brandstof ontvangt het werkende lichaam een bepaalde hoeveelheid warmte Q1 van de verwarming. Tegelijkertijd doet het nog steeds werk A, waarbij het een deel van de thermische energie naar de koelkast overdraagt: Q2<Q1.
EFFICIENCY kenmerkt de efficiëntie van de motor op het gebied van energieomzetting en transmissie. Deze indicator wordt vaak gemeten als een percentage. Efficiëntieformule:
ηA/Qx100%, waarbij Q de verbruikte energie is, A het nuttige werk.
Op basis van de wet van behoud van energie kunnen we concluderen dat het rendement altijd minder dan één zal zijn. Met andere woorden, er zal nooit nuttiger werk zijn dan de energie die eraan wordt besteed.
Motorrendement is de verhouding tussen nuttig werk en de energie die door de verwarming wordt geleverd. Het kan worden weergegeven als de volgende formule:
η=(Q1-Q2)/ Q1, waarbij Q 1 - warmte ontvangen van de verwarming, en Q2 - afgegeven aan de koelkast.
Warmtemotorwerking
Het werk van een warmtemotor wordt berekend met behulp van de volgende formule:
A=|QH| - |QX|, waarbij A werk is, QH is de hoeveelheid warmte die wordt ontvangen van de verwarming, QX - de hoeveelheid warmte die aan de koeler wordt gegeven.
Verwarmingsmotorrendement (formule):
|QH| - |QX|)/|QH|=1 - |QX|/|QH|
Het is gelijk aan de verhouding van het werk dat door de motor wordt gedaan tot de hoeveelheidwarmte. Tijdens deze overdracht gaat een deel van de thermische energie verloren.
Carnot-motor
Het maximale rendement van een warmtemotor wordt genoteerd op het Carnot-apparaat. Dit komt door het feit dat het in dit systeem alleen afhangt van de absolute temperatuur van de verwarming (Тн) en koeler (Тх). Het rendement van een verbrandingsmotor die werkt volgens de Carnot-cyclus wordt bepaald door de volgende formule:
(Тн - Тх)/ Тн=- Тх - Тн.
De wetten van de thermodynamica stelden ons in staat om de maximale efficiëntie te berekenen die mogelijk is. Voor het eerst werd deze indicator berekend door de Franse wetenschapper en ingenieur Sadi Carnot. Hij vond een warmtemotor uit die op ideaal gas liep. Het werkt op een cyclus van 2 isothermen en 2 adiabats. Het principe van zijn werking is vrij eenvoudig: een verwarmingscontact wordt met gas naar het vat gebracht, waardoor de werkvloeistof isotherm uitzet. Tegelijkertijd functioneert het en ontvangt het een bepaalde hoeveelheid warmte. Nadat het vat thermisch is geïsoleerd. Desondanks blijft het gas expanderen, maar nu al adiabatisch (zonder warmte-uitwisseling met de omgeving). Op dit moment da alt de temperatuur naar de koelkast. Op dit moment staat het gas in contact met de koelkast, waardoor het bij isometrische compressie een bepaalde hoeveelheid warmte afgeeft. Daarna wordt het vat weer thermisch geïsoleerd. In dit geval wordt het gas adiabatisch gecomprimeerd tot zijn oorspronkelijke volume en toestand.
Rassen
In onze tijd zijn er veel soorten warmtemotoren die op verschillende principes en op verschillende brandstoffen werken. Ze hebben allemaal hun eigen efficiëntie. Waaronderhet volgende:
• Interne verbrandingsmotor (zuiger), een mechanisme waarbij een deel van de chemische energie van de brandende brandstof wordt omgezet in mechanische energie. Dergelijke apparaten kunnen gas en vloeistof zijn. Er zijn 2-takt en 4-takt motoren. Ze kunnen een continue werkcyclus hebben. Volgens de methode voor het bereiden van een brandstofmengsel, zijn dergelijke motoren carburateur (met externe mengselvorming) en diesel (met interne). Volgens de soorten energie-omzetter zijn ze onderverdeeld in gecombineerde zuiger, straal, turbine. De efficiëntie van dergelijke machines is niet groter dan 0,5.
• Stirlingmotor - een apparaat waarin de werkvloeistof zich in een afgesloten ruimte bevindt. Het is een soort externe verbrandingsmotor. Het werkingsprincipe is gebaseerd op periodieke koeling/verwarming van het lichaam met de productie van energie als gevolg van een verandering in het volume. Het is een van de meest efficiënte motoren.
• Turbine (roterende) motor met externe verbranding van brandstof. Dergelijke installaties worden meestal aangetroffen in thermische centrales.
• Turbine (roterend) ICE wordt gebruikt in thermische centrales in piekmodus. Niet zo gewoon als andere.
• Een turbopropmotor genereert een deel van de stuwkracht door de propeller. De rest komt van uitlaatgassen. Het ontwerp is een rotatiemotor (gasturbine), op de as waarvan een propeller is gemonteerd.
Andere soorten warmtemotoren
• Raket-, turbojet- en straalmotoren die stuwkracht krijgen door terugslaguitlaatgassen.
• Vastestofmotoren gebruiken vaste stoffen als brandstof. Tijdens het werken verandert niet het volume, maar de vorm. De werking van de apparatuur maakt gebruik van een extreem laag temperatuurverschil.
Hoe de efficiëntie te verbeteren
Is het mogelijk om de efficiëntie van een warmtemotor te verhogen? Het antwoord moet gezocht worden in de thermodynamica. Het bestudeert de onderlinge transformaties van verschillende soorten energie. Er is vastgesteld dat het onmogelijk is om alle beschikbare thermische energie om te zetten in elektrisch, mechanisch, enz. Tegelijkertijd gebeurt hun omzetting in thermische energie zonder enige beperking. Dit is mogelijk vanwege het feit dat de aard van thermische energie gebaseerd is op de ongeordende (chaotische) beweging van deeltjes.
Hoe meer het lichaam opwarmt, hoe sneller de moleculen waaruit het bestaat zullen bewegen. De deeltjesbeweging zal nog grilliger worden. Daarnaast weet iedereen dat orde gemakkelijk kan worden omgezet in chaos, wat erg moeilijk te ordenen is.
