Daudzu veidu mašīnu darbību raksturo tik svarīgs rādītājs kā siltumdzinēja efektivitāte. Katru gadu inženieri cenšas radīt modernāku aprīkojumu, kas ar zemākām degvielas izmaksām sniegtu maksimālu rezultātu no tā izmantošanas.
Sildes dzinēja ierīce
Pirms saprast, kas ir efektivitāte, ir jāsaprot, kā šis mehānisms darbojas. Nezinot tā darbības principus, nav iespējams noskaidrot šī rādītāja būtību. Siltumdzinējs ir ierīce, kas darbojas, izmantojot iekšējo enerģiju. Jebkurš siltumdzinējs, kas pārvērš siltumenerģiju mehāniskajā enerģijā, izmanto vielu termisko izplešanos, palielinoties temperatūrai. Cietvielu dzinējos ir iespējams mainīt ne tikai vielas tilpumu, bet arī korpusa formu. Šāda dzinēja darbība ir pakļauta termodinamikas likumiem.
Darbības princips
Lai saprastu, kā darbojas siltumdzinējs, ir jāapsver pamativiņa dizaini. Ierīces darbībai ir nepieciešami divi korpusi: karsts (sildītājs) un auksts (ledusskapis, dzesētājs). Siltumdzinēju darbības princips (siltuma dzinēju efektivitāte) ir atkarīgs no to veida. Bieži vien tvaika kondensators darbojas kā ledusskapis, un jebkura veida degviela, kas deg krāsnī, darbojas kā sildītājs. Ideāla siltumdzinēja efektivitāti nosaka pēc šādas formulas:
Efektivitāte=(Teātris - Dzesēšana)/ Teācēšana. x 100%.
Tajā pašā laikā reāla dzinēja efektivitāte nekad nevar pārsniegt vērtību, kas iegūta pēc šīs formulas. Arī šis rādītājs nekad nepārsniegs iepriekš minēto vērtību. Lai palielinātu efektivitāti, visbiežāk paaugstiniet sildītāja temperatūru un samaziniet ledusskapja temperatūru. Abus šos procesus ierobežos faktiskie iekārtas darbības apstākļi.
Siltumdzinēja efektivitāte (formula)
Siltumdzinēja darbības laikā tiek veikts darbs, jo gāze sāk zaudēt enerģiju un atdziest līdz noteiktai temperatūrai. Pēdējais parasti ir dažus grādus virs apkārtējās atmosfēras. Šī ir ledusskapja temperatūra. Šāda īpaša ierīce ir paredzēta dzesēšanai ar sekojošu izplūdes tvaika kondensāciju. Ja ir kondensatori, ledusskapja temperatūra dažreiz ir zemāka par apkārtējās vides temperatūru.
Siltumdzinējā ķermenis, sildot un izplešoties, nespēj atdot visu savu iekšējo enerģiju, lai veiktu darbu. Daļa siltuma tiks pārnesta uz ledusskapi kopā ar izplūdes gāzēm vai tvaiku. Šī daļasiltuma iekšējā enerģija tiek neizbēgami zaudēta. Degvielas sadegšanas laikā darba ķermenis saņem noteiktu siltuma daudzumu Q1 no sildītāja. Tajā pašā laikā tas joprojām darbojas A, kura laikā daļu siltumenerģijas pārnes uz ledusskapi: Q2<Q1.
EFFICIENCY raksturo dzinēja efektivitāti enerģijas pārveidošanas un transmisijas jomā. Šo rādītāju bieži mēra procentos. Efektivitātes formula:
ηA/Qx100%, kur Q ir iztērētā enerģija, A ir noderīgais darbs.
Pamatojoties uz enerģijas nezūdamības likumu, varam secināt, ka efektivitāte vienmēr būs mazāka par vienu. Citiem vārdiem sakot, nekad nebūs noderīgāka darba par tam iztērēto enerģiju.
Dzinēja efektivitāte ir lietderīgā darba attiecība pret sildītāja piegādāto enerģiju. To var attēlot kā šādu formulu:
η=(Q1-Q2)/ Q1, kur Q 1 - siltums, kas saņemts no sildītāja, un Q2 - tiek nodots ledusskapī.
Siltumdzinēja darbība
Siltumdzinēja veikto darbu aprēķina, izmantojot šādu formulu:
A=|QH| - |QX|, kur A ir darbs, QH ir siltuma daudzums, kas saņemts no sildītāja, QX - siltuma daudzums, kas tiek nodots dzesētājam.
Siltumdzinēja efektivitāte (formula):
|QH| - |QX|)/|QH|=1 - |QX|/|QH|
Tas ir vienāds ar dzinēja veiktā darba attiecību pret tā apjomusiltumu. Šīs pārsūtīšanas laikā tiek zaudēta daļa siltumenerģijas.
Carnot dzinējs
Siltumdzinēja maksimālā efektivitāte ir atzīmēta Carnot ierīcē. Tas ir saistīts ar faktu, ka šajā sistēmā tas ir atkarīgs tikai no sildītāja (Тн) un dzesētāja (Тх) absolūtās temperatūras. Siltumdzinēja, kas darbojas saskaņā ar Karno ciklu, efektivitāti nosaka pēc šādas formulas:
(Тн - Тх)/ Тн=- Тх - Тн.
Terodinamikas likumi ļāva mums aprēķināt maksimālo iespējamo efektivitāti. Pirmo reizi šo rādītāju aprēķināja franču zinātnieks un inženieris Sadi Carnot. Viņš izgudroja siltumdzinēju, kas darbojās ar ideālu gāzi. Tas darbojas 2 izotermu un 2 adiabātu ciklā. Tās darbības princips ir pavisam vienkāršs: traukā ar gāzi tiek ievests sildītāja kontakts, kā rezultātā darba šķidrums izotermiski izplešas. Tajā pašā laikā tas darbojas un saņem noteiktu siltuma daudzumu. Pēc tam, kad trauks ir termiski izolēts. Neskatoties uz to, gāze turpina paplašināties, bet jau adiabātiski (bez siltuma apmaiņas ar vidi). Šajā laikā tā temperatūra pazeminās līdz ledusskapī. Šajā brīdī gāze saskaras ar ledusskapi, kā rezultātā izometriskās saspiešanas laikā tā dod tam noteiktu siltuma daudzumu. Pēc tam trauku atkal termiski izolē. Šajā gadījumā gāze tiek adiabātiski saspiesta līdz tās sākotnējam tilpumam un stāvoklim.
Šķirnes
Mūsu laikā ir daudz veidu siltumdzinēju, kas darbojas pēc dažādiem principiem un dažādu degvielu. Viņiem visiem ir sava efektivitāte. Tie ietveršādi:
• Iekšdedzes dzinējs (virzulis), kas ir mehānisms, kurā daļa no degošās degvielas ķīmiskās enerģijas tiek pārvērsta mehāniskajā enerģijā. Šādas ierīces var būt gāze un šķidrums. Ir 2-taktu un 4-taktu dzinēji. Viņiem var būt nepārtraukts darba cikls. Saskaņā ar degvielas maisījuma sagatavošanas metodi šādi dzinēji ir karburators (ar ārēju maisījuma veidošanos) un dīzelis (ar iekšējo). Pēc enerģijas pārveidotāju veidiem tos iedala virzuļa, strūklas, turbīnas, kombinētās. Šādu iekārtu efektivitāte nepārsniedz 0,5.
• Stirlinga dzinējs - ierīce, kurā darba šķidrums atrodas slēgtā telpā. Tas ir sava veida ārējās iekšdedzes dzinējs. Tās darbības princips ir balstīts uz periodisku ķermeņa dzesēšanu/sildīšanu ar enerģijas ražošanu, mainoties tā tilpumam. Tas ir viens no efektīvākajiem dzinējiem.
• Turbīnas (rotācijas) dzinējs ar ārēju degvielas sadegšanu. Šādas iekārtas visbiežāk sastopamas termoelektrostacijās.
• Turbīnu (rotācijas) ICE izmanto termoelektrostacijās pīķa režīmā. Nav tik izplatīta kā citi.
• Turbopropelleru dzinējs ģenerē daļu no vilces, pateicoties dzenskrūvei. Pārējais nāk no izplūdes gāzēm. Tā konstrukcija ir rotācijas dzinējs (gāzturbīna), uz kura vārpstas ir uzstādīts dzenskrūve.
Cita veida siltumdzinēji
• Raķešu, turboreaktīvie un reaktīvie dzinēji, kas saņem vilci no atsitienaizplūdes gāzes.
• Cietvielu dzinējos kā degvielu izmanto cietās vielas. Strādājot mainās nevis tā apjoms, bet gan forma. Iekārtas darbībai tiek izmantota ārkārtīgi zema temperatūras starpība.
Kā uzlabot efektivitāti
Vai ir iespējams palielināt siltumdzinēja efektivitāti? Atbilde jāmeklē termodinamikā. Tā pēta dažādu enerģijas veidu savstarpējās transformācijas. Konstatēts, ka visu pieejamo siltumenerģiju nav iespējams pārvērst elektriskajā, mehāniskajā uc Tajā pašā laikā to pārvēršana siltumenerģijā notiek bez ierobežojumiem. Tas ir iespējams, pateicoties tam, ka siltumenerģijas būtība ir balstīta uz daļiņu nesakārtotu (haotisku) kustību.
Jo vairāk ķermenis uzsilst, jo ātrāk pārvietosies molekulas, kas to veido. Daļiņu kustība kļūs vēl nepastāvīgāka. Līdz ar to visi zina, ka kārtību var viegli pārvērst haosā, ko ir ļoti grūti pasūtīt.
